气相过氧化氢为强氧化剂, 其消毒、 灭菌的最终产物为水和氧气, 具有无残留、 安全、 快速消毒以及广泛的材料兼容性等优点。 广泛应用于制药、 医疗、 卫生、 生物安全等领域, 特别是新冠肺炎、 MERS、 SARS以及甲流等呼吸类传染性疾病的消毒防治。 为保证灭菌效果, 防止无菌检查的假阴性或者假阳性, 需要对过氧化氢的浓度进行监测。 基于1 255 cm-1量子级联激光器可调谐激光吸收光谱技术研制了一套气相过氧化氢浓度测量装置, 浓度测量范围为0~1 800 ppm。 采用V型光路结构、 窗口片将检测仪主要部件与过氧化氢进行隔离, 避免过氧化氢腐蚀。 针对高浓度、 高吸光度时一阶泰勒级数近似透射率函数误差较大这一情况, 采用二阶泰勒级数近似透射率函数, 导出了二次谐波信号关于气体浓度的二次函数。 二次谐波信号测得是电压值, 采用高锰酸钾滴定法对其进行标定、 溯源。 最终得到气相过氧化氢浓度的测量公式, 对高低浓度过氧化氢都拟合较好, 拟合误差最大为3%。 当湿度变化时, 二次谐波信号没有发生变化, 排除水分对过氧化氢测量的影响, 适用于灭菌过程中常压下高浓度VHP的浓度测量。

为了填补前向散射能见度仪校准的空白,利用激光腔增强技术,搭建了一套开放式能见度校准系统,通过在能见度模拟舱中用气溶胶发生器产生单分散硬脂酸气溶胶颗粒产生模拟能见度环境,实现前向散射能见度仪的校准。与前向散射能见度仪、透射式能见度仪分别在小型模拟舱((长2m×宽1m×高1m))和大型模拟舱(长20m×宽3.5m×高3m)中开展了比对实验,实验结果表明,在100~2000 m能见度范围内,与透射式能见度仪的相对误差在5%以内,与前向散射能见度仪的相对误差在10%以内,均具有较好的一致性。这套系统可以用在较小的小型能见度模拟舱中,为前向散射能见度仪的实验室校准提供可行的技术手段。

为了解决现有TDLAS气体检测系统体积庞大、集成度低的缺点并实现系统的小型化, 研制了一套基于FPGA的TDLAS气体检测系统, 采用模块化设计方法,将电流驱动、温度控制、信号调理、锁相放大等功能有机地集成于一体, 实现了激光输出和微弱信号解调的全自动化。同时, 研制的TDLAS气体检测系统小型化程度高、成本低, 利于小型化和推广。实验结果表明, 该气体检测系统检测性能良好, 二次谐波信号与湿度的线性拟合度达99.94%。在湿度为30%的条件下, 测量结果的标准差为3.23×10-3, 系统具备良好的稳定性。在此条件下, 系统背景噪声为5 mV, 信噪比达到36 dB。

Fs光声光谱系统的谐振频率和池常数通常在实验室由标准气体标定得到, 但在实际应用中, 由于标准气体本身的不确定度以及与被测气体成分的不同、 环境温湿度的变化, 使得现场测量中谐振频率和池常数与实验室标定结果有偏差, 从而导致测量结果不准确。 为了解决以上问题, 提出了基于大气中氧气的在线校准技术, 并将该技术用于检测大气中二氧化碳浓度的光声光谱系统。 大气中氧气浓度恒定为20.964%, 通过探测氧气在763.73 nm附近的扫频信号及峰值信号, 实现共振频率和池常数的在线校准。 该系统中光声池为直径6 mm, 长度100 mm的一阶纵向共振模式结构。 理论上分析了环境温湿度、 气体成分对光声池性能的影响, 同时给出了用标准气体、 室内空气和室外空气标定的谐振频率和池常数, 在标定结果的基础上, 测量得到室内和室外的二氧化碳浓度值。 实验结果显示, 与校准过的气体分析仪的测量值相比, 用被测大气中的氧气标定的谐振频率和池常数计算的二氧化碳浓度更准确, 相对误差小于1%, 远小于实验室标准气体标定计算的浓度相对误差。 创新处在于, 直接利用大气中的氧气对光声池的池常数和共振频率进行在线校准, 有效的减小了标准气体标定带来的误差, 以及环境变化带来系统漂移, 提高光声系统在线监测的准确性和可靠性。

气溶胶消光系数与大气能见度、气候变化直接相关。采用532 nm 脉冲激光腔衰荡光谱仪实现对气溶胶消光系数的测量，气溶胶消光仪的检测限为0.3 Mm^-1，并采用CO₂、氟利昂R134 纯气以及不同浓度的NO₂气体对消光仪进行全量程验证、校准。在此基础上，与积分浊度仪、黑碳仪开展气溶胶消光系数现场比对测量，测量数据符合良好。

为准确测量声场分布, 研究了基于激光测振仪的声场直接测量技术。基于声音在空气中传播时会引起空气折射率周期性变化的原理, 利用激光测振仪测量了激光通过声场时激光光程受空气折射率的调制发生周期性变化产生的振动速度。 由于声场在激光方向上的投影即为激光测振仪测得的振动速度, 测量了声场在不同投影方向上的振动速度, 再由Radon逆变换重构声场复振幅分布, 从而实现了对声场的直接测量。文中实验测量了2 kHz声场引起的振动速度振幅分布和相位分布, 进而重构得到声压振幅分布和瞬时声压分布。测量得到空间分辨率为2 cm, 声压振幅最大为0.026 Pa, 对应的声压级为62.3 dB。实验结果表明, 基于激光测振仪的声场分布直接测量方法是可行的, 该方法解决了现有麦克风阵列接触式测量声场存在的问题。

激光振荡器内光束质量的演变机理对获得高光束质量激光至关重要。综合考虑激光晶体的热效应和增益导引效应，建立了激光振荡器的理论模型，仿真计算并实验验证了激光振荡器内光束质量的演变。基于理论模型，研究了光束质量演变的机理。指出带负球差激光通过激光晶体时，其负球差可以被晶体正球差补偿，从而改善光束质量。这一机理对激光振荡器和放大器实现高光束质量激光输出具有重要意义。