要实现微型光学原子磁强计需要精确测定气室温度和实现高精度气室温控。提出了一种无温度传感器的气室温控方案。该方案首先探测激光输出功率，采用激光功率伺服控制激光器的注入电流以锁定光功率；然后探测原子吸收光谱，利用同步调制解调技术将其转变成激光频率鉴频信号，采用激光频率伺服控制激光器温度，将激光频率锁定在吸收谱线中心；最后利用原子吸收光谱中心信号幅度来测量气室温度，从而实现气室温控。采用本方案实现了气室温控，温控效果与采用热敏电阻测温所实现的气室温控效果相当，为实现微型光学原子磁强计气室温控提供了一种备选方案。

在使用TDLAS技术测量高温燃烧环境下CO2浓度分布时，由于流场的分布非均匀性以及近红外波段的CO2谱线吸收较弱且容易受H2O的吸收干扰，使得二维浓度场的重建测量尤为困难。为解决上述问题，本文提出了一种基于TDLAS技术的非均匀流场二维浓度分布重建方法。该方法利用CO2的吸收谱线R（50）具有R2f/1f在中心频率处的幅值近似满足线性叠加关系这一特点，使用单条谱线的吸收信息结合代数迭代算法，实现了非均匀流场的CO2浓度场重建。仿真与试验结果表明，在正交投影方式下测量的CO2浓度与烟气分析仪测量结果的最大相对误差小于13%，平均相对误差为4.16%，整体分布趋势与烟气分析仪测量的结果相似。

可调谐半导体激光层析技术可以实现对燃烧流场温度和组分浓度的二维分布测量。提出了一种基于多条吸收谱线组合的燃烧场温度二维重建方法, 该方法利用每条吸收谱线对温度的敏感度不同, 采取优化组合的方式得到每组吸收谱线对最佳的重建温度区域。文中使用四条H2O吸收谱线, 模拟了温度在300~1 500 K范围时高斯分布和随机分布温度二维重建, 比较了采用双线法和多条吸收谱线组合方法的温度重建结果。结果表明: 采用吸收谱线组合方法和双线法的温度重建误差分别为0.039 6和0.095 2, 吸收谱线组合方法可以有效提高重建结果质量。在实际工程应用中, 当可以提前预估流场温度重建范围的情况, 采用文中提出的多条吸收谱线组合方法可以二维重建结果质量。

本文基于可调谐半导体激光吸收谱线(TDLAS)技术的直接吸收测量，选用中心工作波长为1 580 nm的DFB激光器，在室温及大气常压条件下检测了模拟烟气中的CO2浓度; 采用去峰拟合法和纯N2线拟合法获得基线后反算出了CO2的浓度，并将反算结果进行了对比。结果表明: 采用纯N2线拟合法反算出的浓度的最大相对误差为2.64%，均方值为1.69%; 采用去拟合法反算出的浓度的最大相对误差为9.81%，均方值为7.81%。以纯N2吸收谱线作基线的纯N2线拟合方法反算出的浓度的准确度较高，可以为CO2浓度测量的基线选择提供参考。

针对二维气体浓度分布, 主要选用多条H2O的吸收谱线, 采用代数迭代重建算法, 研究了在激光光束较少且假定温度分布已知的情况下, 即不考虑燃烧场中温度对谱线强度的影响时, 不同谱线条数对二维浓度重建结果的影响, 对比了在同一浓度模型下通过增加激光光束与增加H2O吸收谱线条数对气体浓度重建结果的影响; 研究了增加谱线条数重建气体浓度分布对不同温度与浓度分布模型的适应情况, 其中, 文中所选取的多条吸收谱线可以由一个激光器同时扫描得到。 浓度测量区域采用10×10的网格划分, 测量区域中的温度和浓度分布采用单峰不均匀分布与双峰不均匀分布, 重建过程中计算了吸收谱线与激光光束的有效利用率。 重建结果表明在激光光束较少时, 增加吸收谱线条数可以获得更多与浓度相关的谱线参数信息, 且与增加激光光束相比可以明显改善浓度重建结果, 更主要的是增加谱线条数可以有效降低实验中硬件设备的成本投入以及测量系统的复杂性。

在太赫兹(THz)成像、 雷达探测、 相干通信等许多应用领域中, THz辐射源的频率稳定性是直接影响其应用效果的核心问题之一。 基于双光子迁移效应建立了光泵THz激光器输出激光频率漂移的物理模型, 推导出THz激光频率漂移的解析计算公式。 以光泵甲醇(CH3OH)为例, 给出了不同压强下的甲醇吸收谱线, 定量分析了泵浦光频率漂移和泵浦功率对THz激光频率稳定性的影响, 并讨论了THz激光腔内工作气体压强对THz激光频率漂移的影响。 研究结果表明: 随着泵浦光功率的增加, THz激光频率的漂移量逐渐增加; 随着THz腔内工作气体压强升高, THz激光的频率漂移逐渐下降; 当泵浦光频率漂移量在一定范围时, 将出现THz激光的频率漂移量极值, 且泵浦光的频率漂移量等于工作气体吸收谱线宽度的1/4时, THz激光输出的频率漂移达到极值。 由此可见, 在实际工作中, 不仅需要合理选择腔内的工作条件(压强、 温度), 而且还需要采取措施将泵浦光的频率漂移控制在一定范围以内, 以提高THz激光的输出频率稳定性。

论述了空间外差光谱技术在大气 CO2超光谱遥感探测中的应用。分析了高精度大气 CO2遥感探测所需的光谱波段、光谱分辨率以及信噪比等重要指标, 以此为设计依据, 开展了大气 CO2空间外差光谱仪核心元器件指标的计算。利用 Y-12飞机进行航空验证实验, 分别采集了农田、工业区、沙滩区域的 CO2吸收光谱数据, 并开展了数据处理, 获取了机载平台下的 CO2精细吸收谱线。初步的反演结果表明空间外差光谱技术能够满足大气 CO2等温室气体的遥感探测灵敏度要求。

在应用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术的开放和密闭式气体检测中，提出一种基于无吸收谱线区域检测谐波（HDINASR）的背景消除方法。分析了背景信号成分，设计了背景信号搜索方法和谱线选取原则，给出相邻吸收谱线之间的最小波长间距公式。以氟化氢（HF）气体为检测对象，利用TDLAS实验系统设计相应的实验，确定HF目标吸收谱线、激光器工作温度、背景搜索温度范围和采样周期。实验结果表明，使用HDINASR背景消除前后的曲线相关度提高了3.4%，体积分数精度提高的相对幅度为5.8%。HDINASR为开放和密闭式的气体检测提供一种有效的背景消除方法。

NH3的检测具有广泛的应用，采用光声法检测NH3是当前研究的热点，而确定NH3的吸收谱线则是实现光声法检测NH3的前提。采用外腔可调谐半导体激光器构造了光声气体检测系统，检测了NH3的近红外吸收谱线，获得了常温常压下NH3在1 515~1 532 nm范围内的吸收光谱。实验确认了NH3在1 515.2,1 516.0,1 518.0,1 519.9,1 522.4,1 527.0，1 531.7 nm处存在强吸收。HITRAN 2004光谱数据库在近红外1.5 μm波段NH3的吸收谱线数据未见报道，该结果为研究光声法检测NH3提供了更多可选择的吸收谱线。

提出一种基于气体特征吸收谱线的太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)的频率校准方法。通过将THz-TDS测量结果与CO在THz波段的特征吸收谱线标准数据进行比较，对THz-TDS光学延时线运动速度控制不精确造成的光谱测量线性误差进行了修正，从而实现了THz-TDS的频率校准，修正后的THz-TDS频率测量平均误差为3.1 GHz。