发光二极管(LED)发射光谱窄限制了差分吸收光谱反演波段, 难以实现多种气体的同时测量。 采用光纤束组合两种紫外LED形成组合式LED宽带光源, 应用于DOAS系统实现大气SO2和O3的同步探测。 光谱分析显示两种LED灯谱在280～295 nm处发生叠加, 275～301 nm有明显的灯结构。 该灯结构会随着双峰光强比增加而增强, 同时向短波方向漂移。 实际测量时, 外界环境改变会引起两个LED光谱各自独立变化, 且二者发射光谱波段内大气消光存在差异。 这将导致大气吸收光谱的双峰光强比不断变化, 且与灯谱不一致, 二者相除难以抵消灯结构。 光谱反演结果显示宽带光源灯结构为参考谱参与拟合无法较好地扣除干扰。 为扣除测量时LED光谱独立变化对光谱反演的影响, 提出采用各LED独立灯结构作为参考谱参与拟合, 结果显示SO2和O3拟合残差分别由1%、 6‰降低至4‰左右, 扣除效果较好。 该方法与避开干扰结构相比, 拓宽了SO2和O3的反演波段, SO2和O3吸收峰分别增加了1.75倍和1倍, 平均拟合误差分别降低了67.5%和37.3%, 测量精度明显提高。 SO2和O3测量结果与同时段同地区的传统氙灯长光程DOAS系统比较, 结果显示二者保持较高一致性, 相关性系数R高于95%。 结果表明DOAS反演时组合式LED宽带光源灯结构可以通过各LED独立的灯结构来拟合扣除。

随着我国先进制造业的快速发展，光谱共焦位移测量技术以其精度高、适应性强、效率高等优势而得到广泛关注，被应用于诸多行业。本文首先介绍了光谱共焦技术的应用进展，对其在表面形貌及工件厚度测量方面的研究成果进行分析，从多个方面说明了光谱共焦技术在位移测量过程中的性能特点。其次，针对光谱共焦技术的关键组成阐述了其研究进展情况，包括宽谱光源、色散物镜、共轭小孔以及光谱检测与处理等方面的主要成果，展示了各种创新思想在光谱共焦技术中的具体实现，并对各种技术方案进行对比分析，梳理了光谱共焦仪器的技术特点及优缺点。最后，对光谱共焦位移测量技术存在的技术问题进行了总结和展望，以期为光谱共焦技术的性能提升和应用拓展提供有益参考。

介绍了一种基于宽频光源和法布里-珀罗谐振腔(Fabry-Perot, FP)结构的CO2检测系统。该系统为主动光学系统, 结构简单、系统信噪比高。从差分吸收激光雷达原理出发, 阐述了该系统的基本工作原理, 使用HITRAN数据库模拟大气环境, 设计系统参数, 确定系统工作波段为1.57μm, 光源为L波段超辐射LED光源(Super LED, SLED), 能量波动值Rip为50dB, 输出功率为24.51mW, 接收端滤波器为光纤FP腔滤波器, 工作中心波长为1.55μm, 带宽为60nm, 通道间隔为50GHz, 设计系统探测误差为2×10-6。

设计实验实现了基于级联调制器抽运源的1.7 μm波段宽带光源。采用连续光源和级联调制器组合的方式,在反常色散区域抽运1 km的高非线性色散位移光纤,产生了超连续谱。经过光纤波分复用器的滤波后,得到了峰值波长为1748.9 nm、输出功率约为22 dBm、20 dB光谱范围为1.6 ~2 μm、相应的谱宽约为419 nm的宽带光源。通过增加Sagnac滤波器,得到了频率周期为2.5 nm、强度周期为9.5 dB的多波长宽带光源。此外,分析了抽运功率、波长及重复频率对超连续谱展宽的影响。

介绍了由宽频光源和法布里-珀罗 (Fabry-Pérot, FP)谐振腔组成的CO2检测系统。结合常见的主动光学系统误差分析方法, 对系统的各个误差项进行了定量化分析。系统误差来源于光源能量波动、环形器串扰、FP腔谱线变动和探测器噪声四个方面。通过建模计算了各独立误差项对差分信号数值的影响, 确定了4项主要的系统误差。传统大气检测误差分析将硬件系统误差直接关联到浓度数据上, 本文误差分析方法把硬件误差和反演算法误差剥离, 对于提高系统的工作能力有更好的指导意义。

H2S浓度检测的发展趋势是实时检测, 基于光谱吸收原则是其中一个发展方向。 用宽带光源替代以往使用的成本较高的窄带光源, 降低整个系统的成本, 可以提高检测系统的实用性。 宽带光源经过Bragg光纤光栅滤波后可以得到窄带光。 此方法得到的光波必然会有噪声和波动, 然后对其进行滤波, 消除一部分系统的噪声和波动, 再通过光线分束器分别通入检测光路和参考光路后做差。 此差分信号不仅消除了一部分系统噪声和波动, 还消除了基波分量, 增大了信噪比。 用数学分析的方法推导出二次谐波信号, 利用SIMILINK仿真观察此信号, 不同浓度的H2S气体会有不同的输出信号, 也就得到了气体的浓度。 双光路差分法、 谐波检测技术和窄带滤波技术综合起来的优势是降低了成本, 增加了信噪比, 提高了系统的检测能力。 实验仿真结果表明, 在LED宽带光源基础上采用提取谐波信号的双光路差分方法检测H2S气体浓度正确可行, 此方法降低了系统成本, 为大范围实际应用提供了可能性。

CO和CH4气体作为判断变压器运行状态的故障气体，对其浓度的探测在变压器维护中具有重要意义.为了准确探测变压器运行过程中产生的CH4和CO气体浓度，本文利用光声光谱技术，设计了一套基于宽带光源的多组分气体探测系统，和共振型光声系统相比，该系统中所用的非共振型光声池体积小，易加工，池内各处信号强度相同，降低了对声学信号探测器的安装要求.系统的性能通过对CO和CH4气体的探测进行评估.首先，从理论上分析了信号强度与调制频率呈反比，然后根据宽带光声系统在不同调制频率下的响应，确定系统的最佳调制频率为22 Hz.在最佳调制频率下，根据温度与待测气体光声信号的关系，对光声信号进行温度补偿，消除温度变化对光声信号的影响，进一步提高了系统的稳定性.最后，通过不同浓度的CH4和CO气体对系统进行标定.实验表明，温度补偿前后，光声信号随温度的漂移分别为0.023 23V/℃和 8.383 48×10－5 V/℃，通过对不同浓度CH4和CO气体的探测，系统的线性度分别达到 0.995和0.998 4.在一个大气压下，积分时间为1s时，宽带光声探测系统对CO和CH4气体的探测极限浓度能够达到1μL/L.该系统成本低，线性度好，探测灵敏度符合国标对变压器维护过程中CO和CH4气体的探测要求.

为开发低成本且性能稳定的超宽带光源, 研究了基于铋铒共掺光纤(BEDF)的超宽带光源的输出光谱特性。当使用830 nm激光器抽运时, 输出光谱覆盖了整个O、E、S、C、L波段, 半峰全宽达525 nm。将该BEDF超宽带光源应用于波分复用光纤光栅传感系统, 实现了O波段和C波段的应力传感。实验结果表明, 将BEDF超宽带光源应用于大规模光纤光栅传感网络, 可大幅度提高传感系统的复用容量。

1.7 μm波段光纤光源在生物成像、激光医疗、特殊材料加工、有机物微量测量、中红外激光产生等领域有着巨大应用前景，已成为国内外的研究热点。总结了国内外1.7 μm光纤光源的研究进展，其研究内容主要包括：1.7 μm光纤光源技术的实现手段，国内外1.7 μm波段连续光纤激光器、脉冲激光器、宽带光源、放大器的研究情况及其相关应用。介绍了本课题组在1.7 μm波段光纤激光器及宽带光源的研究工作及取得的最新研究成果，展望了1.7 μm波段光纤光源的发展前景。

利用Matlab对光纤表面等离子共振(SPR)传感器进行仿真, 得知选用纤芯直径为400μm或600μm的石英光纤作为SPR传感器具有良好的折射率检测特性。实验选用宽带光源作为入射光, 在波长550~800nm范围内, 应用Matlab仿真分析了不同折射率样品的共振波长与透射率的关系, 与实验数据对比表明, 仿真结果与实验结果相一致。