研制了一套使用种子源直接放大激光器和时分复用收发的新型瑞利多普勒激光雷达。激光器通过对种子源进行多级光纤和固体功率放大，获得了稳定的60 W高平均功率脉冲激光输出。脉冲激光通过时分复用发射系统向垂直、正西和正北方向交替发射进入大气，从三个方向接收到的激光大气回波信号经过光纤合束后送入同一套碘分子吸收池中进行多普勒鉴频。基于上述系统设计开展了系统探测性能仿真研究和实验验证对比分析，仿真结果表明，系统能够在时间分辨率为30 min、垂直高度分辨率为1 km条件下完成大气温度和经纬向水平风速的同步测量，其中60 km高度处温度理论测量误差为1.99 K，经纬向水平风速理论测量误差为4.78 m/s。系统的验证实验结果表明，60 km高度处大气温度的实测误差为2.4 K，经纬向水平风速的实测误差分别为8.7 m/s和 8.5 m/s，反演结果与大气模式和卫星探测结果进行对比呈现了较好的一致性。

为了降低光学气体浓度传感器的制造成本, 利用 Zemax 光学设计软件设计并优化了一种适用于热光源的米级光程红外气体吸收池结构。结构由两个准直、聚焦光线的抛物面反射镜和五个用于增加光程的平面镜构成。仿真结果表明, 气体吸收池由于几何结构导致的光功率损耗仅为1%, 其光程达到了1049.75mm, 对比传统透镜结构的气体吸收池, 此结构具有体积小、光程长、损耗率低以及拓展性强等特点, 可应用于构建低成本、亚PPM级红外气体传感器。

海洋温度和盐度是重要的海洋环境参数，对了解海洋性质、生物多样性具有重要作用。本文基于碘分子吸收池的边缘探测技术，将携带有温度信息的布里渊散射光分为三束，这三束光分别通过三个压强不同的碘分子吸收池，形成三个探测通道，得到两个信号的强度比值信息；之后利用迭代算法即可同时反演出被测区域的温度和盐度信息。采用探测器输出信号强度比值的形式能有效抑制激光器光强抖动带来的影响。为将测温误差控制在0.2 K以内，所提算法对探测器输出强度比值的随机抖动程度为1.3‰。本技术路线具有不受入射角影响、测量速度快、无需事先知晓盐度信息等优势，有望应用于机载、星载等移动平台上。

为满足星载二氧化碳激光雷达对种子光源频率长期稳定的需求, 基于自由空间体吸收池结合频率调制光谱技术的方法建立了激光稳频理论模型, 通过仿真优化系统设计参数搭建了一套稳频激光器, 研究了体吸收池引入的多光束干涉噪声, 通过调整调制频率为吸收池干涉条纹自由光谱范围整数倍的方法抑制了干涉噪声的影响, 实现了激光器频率抖动峰峰值约为150kHz, 长期频率稳定度在10000s时低于1×10-11, 满足了星载激光雷达的应用需求。

介质/金属膜空芯波导作为光谱吸收式气体传感的柔性吸收池,得到广泛关注。空芯波导具有损耗低、与光传输系统耦合稳定、抗外界干扰能力强和所需样品量微小等优点。利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)和空芯波导搭建了气体传感系统,实验研究了各类波导对碱性气体、酸性气体以及有机溶剂挥发物等的耐久特性。通过对比波导注入腐蚀性气液体前后的损耗特性变化,评估波导的受损情况,讨论了劣化机理。系统总结了多种常用波导的适用传感波段和抗腐蚀特性,为波导式吸收池的工程应用提供了设计和制作参考。

设计了一种基于半导体激光器的780 nm高光谱分辨率激光雷达。发射系统以分布反馈式半导体激光器为种子源,利用脉冲电流驱动的锥形半导体光放大器实现窄线宽微脉冲激光输出。分光系统由干涉滤光片、法布里-珀罗标准具和铷原子吸收池构成。干涉滤光片带宽为0.5 nm,法布里-珀罗标准具的半峰全宽为2.8 GHz,二者串联可有效剔除太阳背景光。温度为338 K的铷原子吸收池对米氏散射信号的抑制比达33 dB,可有效提取瑞利散射信号。基于美国标准大气模型对系统进行了数值仿真,验证了系统的探测能力。研究结果对气溶胶光学参量的探测研究具有重要意义。