量子级联激光器（QCL）具有出射功率高、 覆盖范围宽等优点, 在中红外探测领域发挥重要作用。 由于激光器对外界环境变化的敏感性导致激光波长波动, 在400 s的观测时间内频率漂移峰峰值高达180 MHz, 在一定程度上限制了QCL激光器的性能, 影响分子光谱探测的准确度。 频率锁定技术作为改善激光器运行状态最有效的方法在中红外区域得到广泛应用。 该研究发展了一种基于气体分子吸收的QCL激光频率锁定技术, 以5.3 μm QCL激光器为例, 采用调制激光波长的方法将激光频率锁定于一氧化氮（NO）分子1 875.812 8 cm-1处的吸收峰上。 介绍了误差信号的产生原理, 分析了使用三次谐波信号作为误差信号用于频率锁定的优越性。 使用长30 cm的单通道NO吸收池得到了高信噪比（SNR）的NO吸收信号, 标定了三次谐波幅值电压与激光频率的转换系数。 并对锁定过程进行详细的介绍, 探究了反馈控制回路中比例、 积分、 微分参数设置在激光锁频过程的重要性, 给定了详细的锁定参数。 主动干扰激光器锁定, 从扰动开始至恢复稳定的时间好于40 ms, 证明了该锁定系统可以抵抗外界干扰迅速响应并保持稳定。 使用误差信号的波动结合电压-频率转换系数分析了频率锁定系统的稳定性, 在10 ms的积分时间下频率漂移好于673 kHz, Allan方差分析结果显示, 当积分时间延长至100 s时, 相对频率漂移为4.5 kHz（对应稳定度为8×10-11）, 有效提高了激光频率的长期稳定性。 这种使用直接调制激光器而不需要使用外部调制器件的方法, 简化了系统复杂度的同时也提升光学探测系统的探测性能。

利用虚像相位阵列 (VIPA) 的强色散能力发展而来的 VIPA 光谱仪是一种新型的高性能光谱测量装置, 兼具宽光谱覆盖范围、高时间分辨率及高光谱分辨率等优点。基于 60 GHz 自由光谱区 (FSR) 的石英 VIPA, 研制了一台可用于红光波段光谱测量的 VIPA 光谱仪, 并测量了 633 nm 多模激光器的出射光谱。在 100 μs 的时间分辨率下, 获得了单次 3.1 nm 测量谱宽、2.0 pm (1.5 GHz) 的高光谱分辨率, 连续 4 h 运行显示光谱漂移小于 0.50 pm。通过采用衍射光栅扫描装置、更短曝光速度的面阵 CCD 和更大 FSR 的 VIPA , 有望进一步提高光谱仪性能。

光学多通池具有结构简单、光路对准容易、光谱通用性高、鲁棒性好及成本低等优势，是增加吸收光程最有效的手段之一, 可以显著提高吸收光谱的探测灵敏度。简要总结了不同类型光学多通池的基本原理, 重点介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所张为俊研究员团队使用光线追迹研制的 200 m光程像散镜池、59.7 m 光程 Herriott 池、大于 200 m 光程密集光斑型球面镜池以及带有便携稳定调节机构的 Chernin 池，详述了这些多通池的研制方法及其在激光吸收光谱探测中的应用。

提出了一种基于线性调频激光器的外差测距实验理论，设计了一个较为具体的测距方案，利用延时光纤将两束特性相同、但进行了延时的线性调频激光进行混频，测出其拍频后的频率值，进而得到其中包含的频率信息，并用Matlab-Simulink仿真对此方案进行了仿真测试和实际光纤延时验证，通过模拟线性调频信号和线性调频外差测距的实验过程，分别对300、600、900 m处的线性调频激光回波信号和本振信号进行外差拍频，得到相应的拍频值，其结果与理论计算结果基本吻合。

基于微电子机械系统(MEMS)微镜的二维光学扫描系统是趋于低成本、小型化和高清晰的新一代三维成像激光雷达的核心部件之一。由于现有可实现二维高帧频扫描的MEMS 其口径和扫描角度有限，因而需要对经MEMS微镜扫描后的激光束进行相应扩角和扩束。讨论了开普勒式扩束望远镜系统对扫描光束扩束之后光斑大小与扫描视场角之间的制约关系；推演得到了扫描角与扩束倍率之间的关系式；提出了一种三维成像激光雷达系统中的基于MEMS 和开普勒式望远镜的扫描与变焦扩束系统结构，并在此基础上利用Zemax 软件设计出了11 片式的扫描变倍扩束光学系统，其模拟的结果与理论计算值完全相吻合。

提出了一种正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的新方法,将激光与工质靶作用产生的微冲量转化为扭摆的转动角度测量，基于激光外差技术和多普勒效应，把待测转角信息加载到外差信号的频率差中，经信号解调后可以得到待测转角值，通过多次测量取平均值的方法可以提高待测转角的测量精度，从而提高微冲量的测量精度。利用这种新方法，以PVC+2%C为工质靶，利用MATLAB仿真测量了激光与工质靶作用产生的微冲量，结果表明: 该测量的最大相对误差小于0.8%。

分析了激光成像雷达系统中的微机电系统(MEMS)振镜的振动特性，对影响MEMS振动角度的关键因素：频率和驱动电压对振动角度的影响进行了实验测量。研究结果表明，选择60~200 Hz要求的扫描频率、60 V以上的驱动电压可以实现角度相对较大、同时又能满足系统64~256 s-1分辨率要求。

结合小型紫外光谱仪器设计原理对紫外成像光谱仪进行了研究。 以离轴抛物镜为望远镜, 超环面光栅为成像光谱系统设计了系统方案; 该光学系统的优化设计就是对超环面光栅的参数设计。 分析了光栅的光程函数和像差方程, 总结了单超环面光栅结构的完善聚焦条件和完善成像条件; 这两种条件无法在代数计算下得到完善代数解, 限制了光谱仪的工作波段和视场, 引入遗传算法解决了这个问题。 以一工作波段为200~280 nm的日盲紫外成像光谱仪为例对设计理论进行验证, 根据优化理论计算了初始结构最优解并进行光线追迹模拟, 成功得到了F数为5.7, 焦距为102 mm, 全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20 lp·mm-1)下大于0.65的高分辨率成像光谱仪光学系统。 设计结果表明这种光学系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率紫外成像光谱仪。

利用琼斯矩阵理论推导了光学双平衡式相干接收的原理, 得到了具有正交相关性的包含全部光学信息的IQ信号, 给出了基于IQ正交信号解调待测光信号信息的信号处理算法.基于该原理设计了一种高速微机电系统扫描式激光外差干涉仪, 得到了待测玻璃的厚度信息分布图.该干涉仪的波前相位差提取准确度可高达0.01 rad、测量速度可达40 frame/s、最大测量直径可达到300 mm, 在实时光学检测方面有广阔的应用价值.