针对高温条件下光谱高精度反演的需求, 对比分析了7种不同的光谱线型模型在光谱反演中的精度和稳定性, 并发展了适用于高温诊断的光谱线型选择策略。 首先测量了1 100~1 600 K温度范围的两条H2O吸收光谱, 采用七种不同的光谱线型模型分别进行分析, 获取了各测量光谱的积分吸光度, 速度依赖线宽和多普勒半高宽, 并根据双线比值法计算气体温度值。 对比分析表明, 在高温常压条件下, Gaussian线型拟合精度最差, 但通过Gaussian线型反演的气体温度精度最高; 光谱拟合过程中, 通过设置线型模型中的多普勒半高宽参数为已知量, 能有效提高光谱线参数的反演稳定性和精度, 也能有效提高各光谱线型温度反演精度。 与高阶非Voigt线型(Speed-dependent Voigt线型, Rautian线型, Speed-dependent Rautian线型和Hartman-Tran线型)对比, Voigt线型获取的积分吸光度和速度依赖线宽偏小, 计算的温度结果相对误差偏大。 最后, 对比了7种线型模型拟合程序的运行时间, 在保证精度的条件下, Speed-dependent Voigt线型拟合速度最快。 因此, 通过Gaussian线型获取气体温度, 然后根据温度计算多普勒半高宽参数并将其固定为已知量, 采用Speed-dependent Voigt线型拟合能有效提高高温光谱的反演精度, 速度和稳定性。

基于丙丁烷在3.37μm处的基频吸收峰, 使用相应中心波长的连续带间级联激光器和长光程吸收池, 研制了基于波长调制技术的丙丁烷气体检测系统。为自动确定波长调制过程中的锯齿波中心值参数, 基于电流与输出光频率的线性关系, 通过均匀增加激光器驱动电流获得直接吸收光谱。使用基于洛伦兹线型的拟合算法确定吸收峰值对应电流, 使锯齿波输出光以其为中心覆盖吸收峰。实验证明, 以拟合结果31.94mA为中心值的锯齿波, 在叠加频率为20000Hz、幅值为0.03V的高频正弦调制波后, 系统二次谐波峰值超过100mV。算法全过程不依赖标气和F-P标准具等精密光学器件, 可适应实际生产条件下的系统自动定参。

针对目前光谱特征峰识别定位技术识别率低、定位误差大、无法获得光谱线型函数等问题,提出了一种基于改进正弦余弦算法的光谱特征峰识别定位方法。该方法利用动态转换概率改进正弦余弦算法,将改进的正弦余弦算法与多种光谱线型(高斯、洛伦兹和Voigt)拟合方法相结合,通过迭代寻优计算,最终得到对应的光谱特征峰位置。该方法不仅能得到光谱特征峰的位置,而且可以得到光谱线型函数。实验证明,无论强峰、弱峰还是重叠峰,提出的基于改进正弦余弦算法的光谱特征峰识别定位方法在识别率、定位准确率、谱值拟合效果和对噪声的抑制能力等方面均有显著提高。

噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)作为世界上最灵敏的光谱技术可以被应用到痕量气体检测、 频率标准、 原子分子光谱以及超灵敏引力波测量等领域中, 高精细度谐振腔吸收池的使用在增长激光与腔内物质相互作用路径的同时, 极大的提高了腔内激光功率, 这就会饱和低气压下的气态样品吸收线从而获得亚多普勒光谱结构, 因此NICE-OHMS技术不仅具有高灵敏、 还具有超高分辨的优点。该研究基于光与二能级分子相互作用的密度矩阵理论对NICE-OHMS技术中包含亚多普勒的多普勒展宽光谱线型进行了理论推导, 获得了光谱线型的表达式, 同时以该表达式对光谱线型进行了数值模拟, 其中调制频率、 饱和参量、 频率调制系数分别设置为384 MHz, 10和0.2。由模拟结果可见吸收光谱由两个边带的吸收信号构成, 在包络上存在四个亚多普勒饱和结构; 色散光谱由载频以及边带的色散三者决定, 并在包络上存在五个亚多普勒饱和结构, 获得了与已有实验一致的结果。最后重点分析了不同探测相位、 不同饱和参量下的NICE-OHMS光谱线型尤其是亚多普勒结构的变化, 由于饱和参量按照调制系数分配给载频和边带, 因此虽然载频饱和参量很大, 但NICE-OHMS吸收光谱幅度变化不大, 主要是由于该光谱信号只与边带饱和参量有关, 可以看出NICE-OHMS多普勒展宽信号具有饱和效应免疫的特性, 与已有实验结果也符合较好。为更进一步的实验研究提供了必要的理论基础。

由电光调制器（EOM）中双折射效应及线偏光不完全沿EOM调制方向诱发的残余幅度调制(RAM)使频率调制（FM）光谱技术在微量气体检测中的应用受到极大的限制。 基于光场与晶体相互作用及光学干涉原理推导出存在RAM时FM光谱的线型表达式, 确定出输入线偏光角度、 EOM中双折射效应、 FM系数等是影响线型的主要因素, 且当入射EOM光的偏振角度偏离调制方向越大, 双折射效应引起的特征偏振方向相位差越大, 线型扭曲越严重; 同时在FM色散光谱中存在一个受两者影响的直流偏置; 最后给出通过伺服控制这两过程可以达到抑制RAM的目的。 这些现象及线型的分析将为基于光纤器件的FM光谱提供必要的理论支持。

从理论上研究了光谱线型函数的四种形式及其关系, 以多普勒展宽导致的线型函数为例, 分析了光子数、 能量按频率及波长分布函数的最大值和半高全宽。 结果表明, 光子数、 能量按频率的分布函数近似相等, 光子数、 能量按波长的分布函数也近似相等。 通过对多普勒线型函数的分析, 建立了根据两条光谱线的线型函数的最大值比值求得光子数比值的方法。

频率调制(FM)光谱技术中由于激光偏振态变化产生的残余幅度调制(RAM)使其在微量气体检测中的应用受到极大的限制。理论上详细分析了这一过程产生的原因，获得了存在RAM时FM光谱线型的表达式，同时给出N.C.Wong和J.L.Hall(W-H)方案抑制RAM后的FM光谱线型表达式；在实验上通过对乙炔气体的测量获得了存在RAM时的光谱线型，同时采用W-H方案对RAM进行了抑制，并获得了优化的光谱线型；最后基于理论结果对实验线型进行了拟合，两者差值小于信号峰峰值的4%。

首先对光纤中受激布里渊散射的耦合波方程进行了离散化，然后利用 MATLAB编程对受激布里渊散射光存储过程进行了数值求解，并从理论上对控制光的时间线型和光谱线型对光存储的影响进行了研究。虽然在受激布里渊散射光存储的原理中，读脉冲和写脉冲在光存储中所起的作用不同，但是理论分析却没有看到读写脉冲的差异。计算还表明，当控制脉冲的谱足够宽时，控制脉冲时间线型上的差别对存储结果并无明显影响。啁啾高斯型和矩形控制脉冲由于其宽谱线型可以得到较好的存储结果。

对于无限大平板和无限长圆柱两种等离子几何体，讨论了组成HeⅠ1083 nm 共振线的1083.034 nm、1083.025 nm和1082.908 nm三条线的光子逃逸几率。计算了吸收原子在基态上的原子数密度， 同时也分析了逃逸因子对谱线中心光学厚度的影响。结果表明，光子逃逸几率随着光学厚度的减小而衰减，无限大 平板等离子几何体的光子逃逸几率比无限长圆柱几何体的大，这与实验结果相一致。该研究对于太阳或其他天体中氦浓度的 探测具有一定参考意义。