提出了一种基于光声光谱技术的气体传感器，以444 nm蓝光激光器为激发光源，实现了对大气、汽车尾气中NO₂的检测及光解分析。对压强、NO₂体积分数与共振频率的关系进行了研究，验证了信噪比和光功率之间的线性关系，分析了光学斩波器的位置和相对湿度对光声信号的影响。通过Allan方差分析得到，当积分时间在100 s内时，传感器的检测限达到1×10^－9。在2 d内从上午8：00到下午6：00对大气中的NO₂进行了监测，与济宁市环境监测中心的数据吻合较好，最后检测了5辆汽车尾气中的NO₂含量以及光解前后的NO₂含量。实验结果表明，该传感器能够满足实际应用中NO₂探测的高灵敏度要求。

为了提高石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统的探测灵敏度,本文提出了一种基于透镜-反射镜组合的离轴石英音叉增强光声光谱(LR-QEPAS)系统。该系统采用使激光束在共振管内往返四次的透镜-反射镜组合结构和谐波探测技术,在室温和一个大气压下对1392.58 nm处的水汽吸收线进行测量,优化了系统的调制深度,验证了离轴LR-QEPAS系统的性能随着激光在共振管内往返次数的增加而提高,并且在同样的实验条件下引入离轴QEPAS和双通QEPAS系统进行比较。最后利用Allan方差对系统的稳定性和探测灵敏度进行分析,得到了离轴LR-QEPAS系统在64 s积分时间内的最小检测极限为7.54×10 ^-8,归一化噪声等效吸收 (NNEA)系数为3.46×10 ^-9 cm ^-1·W·Hz ^-1/2。实验结果表明,透镜-反射镜组合结构可以显著提高QEPAS系统的性能。

为了克服常规偏光干涉系统中核心器件萨瓦板(Savart)偏光镜制作工艺复杂、装调难度高的缺点, 解决由于Savart偏光镜装调、加工误差造成的偏光干涉系统条纹混叠和调制度下降的问题, 采用了一种基于单平行分束器(SPBS)的偏光干涉系统的方法, 分析了系统的结构原理, 采用矩阵传递函数推导了经偏光干涉系统出射光的琼斯矩阵及相干叠加强度, 得出了和基于Savart偏光镜的干涉系统类似的干涉结果, 分析了系统光程差与入射角及入射面的变化关系, 并通过实验验证了理论分析的正确性。结果表明, 由于SPBS结构简单, 不需要多个单元组合, 所以不存在装调误差, 并且大幅度降低了加工误差。

双路四通道同时干涉成像光谱仪以视场光阑代替狭缝,无旋转和移动部件,通过消色差分光棱镜和Savart偏光镜将入射光分为四对相干光束,同时在探测器上获取四幅不同偏振信息的目标图像,进而利用傅里叶变换运算并对数据进行处理得到偏振光谱图像。分析系统结构和原理得出不同偏振状态下的干涉强度表达式,四幅干涉图相加获取目标图像的总强度,同一Savart偏光镜的干涉强度相减获得纯干涉条纹,将两纯干涉条纹进行加减运算可降低系统的背景噪声,提高了系统信噪比。在考虑晶体色散关系的基础上分析讨论了光程差随波长、入射角、入射面与晶体主截面夹角以及晶体厚度的变化,在傍轴条件下设计出横向剪切量、成像透镜焦距和晶体厚度的具体参数,实现了高光谱分辨率成像,为新型干涉成像光谱仪的设计与应用提供了一种新方案。

基于Wollaston棱镜角剪切和Savart偏光镜横向剪切组合的可调光程的差分偏振干涉成像光谱系统，不仅可同时获取目标正交偏振分量的干涉图和二维空间图，而且可以通过调整Savart偏光镜的厚度，得到不同光程差下正交偏振分量的干涉图像。该系统的显著特点是正交图像的同时获取和光程的实时改变。描述了可调光程的差分偏振干涉成像光谱系统结构、理论原理，推导出了干涉强度表达式。详细分析了可调光程的Savart偏光镜(MSP)和可调光程的宽视场型Savart偏光镜(MWSP)的光程差及横向剪切量的变化范围。通过两种偏光镜之间的对比可得光程差差别甚微但MWSP剪切量较大，且变化量比MSP高50%。这为以后选择Savart偏光镜类型提供了重要依据。

在激光电光调制补偿测量光相位延迟量过程中, 加入交流调制电压形成倍频接收信号, 获得消光的精确定位, 能提高测量精确度。通过调制信号形状变化与相关参量之依赖关系, 可拓展测量范围, 解决在某些点附近无法测量波片相位的“盲区”问题。根据接收到的调制光信号形状变化趋势与待测波片样品方位、延迟量、旋转方向等条件的联系, 在待测波片快轴选定后, 通过波片旋转影响信号形状变化规律的观测, 可敏锐地甄别在半波点或全波长点附近波片的正负偏差特性, 从而解决了一般偏振干涉补偿测量相位无法解决的测量盲区问题。不改变测量系统结构也不需添加任何器件, 适应于最小延迟偏差≥λ/360的情况。

椭圆偏振器是一种非常重要的偏振态调制器件。采用线偏器与波片组合方式设计，通过各部件间方位的补偿调整来满足不同波长或椭偏度的需求，波长调整范围大，输出状态稳定，具有较高的实用价值。由偏光矩阵和邦加球理论可知，器件间方位、相位以及波长间存在着规律性关系，匹配相关条件能够影响不同波长下的偏振光状态。此设计由一个宽频透射的偏光棱镜和两个完全一致的“零级”波片组成。棱镜保证了入射光偏振方向的稳定性，波片承担了波长的选择和椭偏度的改变。研究表明材料特性限制了应用范围。云母波片设计的应用波长范围为300～1400 nm，连续调整波长范围700 nm。

为了研究 TiO2禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响, 利用电子束沉积方法在玻璃基底上制备了TiO2薄膜及Zr掺杂TiO2薄膜。采用拉曼光谱仪和分光光度计对膜的结构和吸收光谱进行了表征。研究结果表明:当退火温度为773K时,沉积得到的TiO2薄膜为锐钛矿结构薄膜; 掺杂使 TiO2禁带宽度变窄, 吸收波长红移,在 350~450nm 附近光吸收系数增大, 增强了 TiO2的光催化活性。

外部噪声和环境温湿度变化对光声池性能的影响是光声光谱技术在实际大气气溶胶吸收测量应用中遇到的主要问题。 详细分析了环境温湿度变化引起的共振频率漂移对光声信号的影响, 提出了抑制流动噪声和采样泵振动噪声的方法, 研制完成了一套测量大气气溶胶吸收的光声光谱系统, 探测极限为1.4×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。 利用NO2气体在532 nm的吸收对光声池进行了标定, 并对实际大气气溶胶的吸收特性进行了测量, 结果表明光声光谱测量系统可以满足自然悬浮状态下的气溶胶吸收系数的实时测量。

通过对T型光声池内模式分布、 温度分布以及边界条件的分析, 建立了共振频率与温度关系的数学模型。 分析了品质因子温度的关系及其影响因素。 在-100～0 ℃范围内对光声池的温度稳定性、 共振频率、 系统灵敏度进行了测量和分析, 结果表明, 共振频率随温度的降低而减小, 系统的灵敏度受温度影响较小。 在-100～0 ℃范围内对不同浓度CO2探测的最小浓度范围为3.2～5.2 mg·m-3, 说明该系统可用于痕量气体探测; 克服了麦克风低温下灵敏度降低的问题, 为低温下进行痕量气体探测提供了一种新的研究方法。