椭偏仪实现高精度测量的关键在于模型值的精准标定,而随机误差是影响标定精度的重要因素。从椭偏仪随机误差的产生原因入手,针对零阶噪声受限、一阶噪声受限、二阶噪声受限三种可能存在的系统,对测量结果随机误差进行了数值估计。为了降低测量结果的随机误差,采用枚举法和遗传算法,得到了三种系统下的最佳配置。数值分析和实验结果表明,比起常用的配置,最佳配置下的随机误差可以降低1/3以上。本文虽然仅给出三种噪声受限系统的最优配置,但是噪声估计结果和优化方法可以适用于多种噪声模型共同存在的模型。

在椭偏测量中,采用直通式标定方法准确标定出系统模型参数对于样品的精确测量至关重要。由于双旋转补偿器式Mueller矩阵椭偏仪(DRC-MME)高级参数模型复杂,参数数量较多,且部分高级参数之间存在相互级联和耦合,为保证标定结果的准确性,实验中各个参数之间的独立性关系需要被检验。针对这一问题,使用奇异值分解、泡利矩阵和其他数学工具,从理论上对DRC-MME直通标定实验的自由度进行研究分析,明确在数据拟合过程中的“无用”参数,并通过仿真实验验证研究分析结果的正确性。最后搭建实验平台,开展了直通标定实验,得到了符合实际物理意义的高级参数标定结果,并使用标定好的高级参数模型对硅衬底上二氧化硅薄膜厚度进行了测量,测量结果与标称值相差1.9 nm,重复测量精度为5.31 pm。所提对直通标定实验自由度的研究分析方法不仅适用于椭偏仪,也可为其他的多参数优化过程提供一个分析思路。

光谱椭偏测量技术已广泛应用于材料科学、微电子、物理化学和生物医学等领域。在光谱椭偏测量系统中，由于起偏器和检偏器存在漏光等瑕疵，光源子系统的偏振度和光谱仪子系统的偏振敏感度会影响光谱椭偏系统的测量精度。针对这一问题，本文建立了光谱椭偏测量系统的偏振相关系数的修正模型；并提出了一种同时测量光源子系统和光谱仪子系统偏振相关系数的方法。利用现有实验室内的宽带光源系统和宽带光谱仪验证了这种测量方法的可行性。

介绍了一种基于室温脉冲量子级联激光器的大气N2 O监测仪的研制。以中心波长为1274 cm-1的分布反馈式量子 级联激光器为光源,结合长光程多次反射池,可实现对大气中N2 O的测量。该系统利用激光器长脉冲产生的线性频 率啁啾,扫描通过气体分子完整的吸收线,从而进行定性和定量分析。集成的数据分析软件根据HITRAN04数据库 中的谱线参数采用直接吸收的方法对气体进行测量,不需要定标。系统具有良好的重复性和稳定性,检测限低于13 ppb,可实 现大气中N2 O的检测。

机动车尾气中的主要成分一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO)不仅污染环境，对人体也有直接危害。由于CO和NO在中红外波段有强吸收谱线，适合采用红外吸收光谱技术进行检测。介绍了一种基于室温脉冲量子级联激光器测量尾气中CO和NO的装置，该装置利用长脉冲量子级联激光器产生的线性啁啾扫描气体分子完整的吸收谱线，测量精度高而且响应速度快，可达到低于1Hz的时间分辨率。对行驶状态下机动车排放的尾气进行了测量，结果显示该系统能够实时快速地测量不同车辆的尾气排放，并得到了不同燃油车型尾气中CO和NO的浓度分布。分析了浓度分布差异产生的原因。

用激光吸收光谱方法对大气水汽浓度检测进行了研究。采用窄线宽的半导体激光器作光源,通过直接吸收 光谱技术来反演气体浓度。低阶多项式对直接吸收信号进行基线拟合以消除光强波动获得吸光度曲线,再 用非线性拟合Levenberg-Marquardt算法进行线型拟合获取积分吸光度,从而根据HITRAN数据库中或实验 室测定的吸收线强和展宽系数等参数来进行水汽浓度的直接反演。选取了1.4 μm附近的两条水汽吸收线进 行了浓度检测验证和分析。

可调谐半导体激光吸收光谱具有高分辨、 高灵敏度和快速测量等特点, 已经在环境检测、 工业过程检测等方面得到广泛应用。 在直接吸收光谱技术中, 吸光度曲线以及积分吸光度的确定对于气体浓度反演、 线强校正等都有重要的作用。 对激光直接吸收光谱中吸光度和吸光度积分反演算法进行了研究, 采用分段多项式基线拟合方法来消除激光器光强波动的影响, 得到吸光度, 再用非线性拟合Levenberg-Marquardt算法进行线形拟合来获取积分吸光度。 通过水气吸收谱线的检测对算法进行了验证

量子级联(QC)激光器是唯一能在室温产生中红外辐射的半导体激光器。它的宽调谐范围、高输出功率和单模工作的特性,使得它非常适用于高分辨率光谱分析。结合中红外光谱区是气体分子的基频强吸收特性,基于室温脉冲工作的量子级联激光器的吸收光谱检测技术以其灵敏度高、选择性强及响应快速等特点,成为痕量气体探测的有效方法。介绍了基于分布式量子级联激光器的脉间光谱技术,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了中心在2178.2cm-1附近的N2O的吸收谱线。

介绍了基于量子级联激光器的 脉内光谱技术,一个长激发脉冲应用在中心波长为7.85 [EQUATION]m脉冲量子级联激光器上, 用于快速波长扫描,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激 光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了 中心在1273.7 cm[EQUATION]的N[EQUATION]O吸收谱线。

中红外激光光源覆盖了大量气体的基频吸收带,尤其适合于痕量气体的高灵敏检测。其中具有高输出功率、宽调谐范围、能够在室温工作的量子级联激光器为高灵敏痕量气体检测技术的研究提供了理想的光源。基于脉冲量子级联激光器的脉内光谱技术提供了一种简单而又有效的测量痕量气体的方法。当一个长激发脉冲作用在激光器上时,激光器的频率随着脉冲持续时间的增加而线性减小,从而在单个脉冲上扫描出被测气体分子的特征吸收谱线,实现对目标气体的定性或者定量分析。介绍了基于分布式量子级联激光器的脉内光谱技术,并采用该技术对N₂O 进行了光谱测量。一个500ns的长激发脉冲应用在脉冲量子级联激光器上用于快速波长扫描,达到接近1cm^-1的线性调谐范围,得到了中心在1274cm^-1附近的N₂O的吸收谱线,与HITRAN数据库相应的N₂O 吸收谱线有着良好的一致性。