H2O和CH4在气候变化过程中起着关键作用, 实时在线测量H2O和CH4浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一。 利用1.653 μm可调谐半导体激光器作光源, 结合反射率为99.997 6%的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置, 开展了H2O和CH4的高灵敏度测量研究。 离轴腔增强系统的有效吸收光程通过吸收面积-浓度关系法来标定, 吸收面积-浓度关系法的可行性首先通过已知光程的光学吸收池进行验证, 确定有效后用于标定离轴腔增强系统的有效光程。 结果表明, 基长为21 cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8 626.3 m。 当谐振腔内压力为5.06 kPa时, 利用7组不同浓度的CH4标准气体(0.2～1.4 μmol·mol-1)对系统进行了线性响应标定测试, 得到了CH4吸收的积分面积与浓度拟合关系曲线。 系统的稳定性、 可实现的最小探测灵敏度等信息通过Allan方差进行分析, 结果表明系统对探测CH4的最佳平均时间为100 s, 最小可探测浓度极限为7.5 nmol·mol-1; 系统对探测H2O的最佳平均时间为200 s, 最小可探测浓度极限为55 μmol·mol-1。 对提高系统测量精度的数据处理方法也进行了分析研究, 结果表明相比于多次平均方法, Kalman滤波能显著的提高测量精度, 而且缩短了系统的响应时间。 最后, 利用搭建的离轴腔增强实验系统结合Kalman滤波数据处理方法对实际大气中CH4和H2O浓度进行了连续两天的测量, CH4每天平均的浓度分别为2.1和2.08 μmol·mol-1, H2O每天平均的浓度分别为11 515.6和11 628.6 μmol·mol-1, 由此可知建立的离轴腔增强吸收光谱装置能够用于大气CH4和H2O的测量, 另外建立的系统也可用于相关工业领域的高灵敏度CH4和H2O监测。

生物气溶胶在大气中扩散极易传播和发生各种流行疾病, 也是生物**投放的主要形式, 实现生物气溶胶实时、 远距离的探测显得尤为重要。 构建了一台双波长荧光雷达用于大气中生物气溶胶的预警和识别。 该雷达系统采用Nd∶YAG固体激光器作为激励光源, 基频1 064 nm、 四倍频266 nm作为工作波长。 基于激光诱导荧光雷达探测原理, 对红外波段的弹性散射信号和紫外波段诱导的荧光信号进行数值分析。 结果显示, 在探测误差小于10%的情况下, 距离为1.0 km时, 单激光脉冲测量得到白天和夜晚细菌孢子的最小探测浓度分别为15 100个颗粒·L-1和8 386个颗粒·L-1; 当脉冲数累加到10 000时, 白天和夜晚的细菌孢子最小探测浓度显著改善, 分别为144个颗粒·L-1和77个颗粒·L-1。 分析结果还表明, 通过红外波段确定细菌孢子云团位置后, 为了提高系统对细菌孢子的探测性能, 可增加紫外激光脉冲数量, 延长荧光信号采集时间。

以1.573 μm窄线宽可调谐半导体激光器作光源, 结合高精细度光学谐振腔的离轴腔增强吸收光谱技术, 选择CO2在6 357.311 6 cm-1的吸收谱线, 对实际大气CO2分子进行了测量。 为了得到更准确的有效方程, 对谐振腔吸收程长的标定方法进行了研究, 给出了一种简单、 实用的标定方法。 实验结果表明, 高精密度光学谐振腔的有效吸收程长为～1 195.73 m, 测得实际大气CO2的浓度为～388.3 ppm(S/N≈22), 最小可探测浓度为17.65 ppm。 将波长调制技术与OA-CEAS技术结合后, 最终将CO2分子的最小可探测浓度提高到0.36 ppm(S/N≈1 064)。

探测大气中污染气体的浓度是激光雷达的一个重要应用方面,最小可探测浓度是衡量一个雷达系统的重要指标。从测量的误差理论出发、分析得出了一般情况下,被测量最小值的估算方法