国际单位制中温度基本单位“开尔文”的重新定义致使温度测量逐步实现国际协议温度标准与热力学温度标准的融合。基于铯133原子直接吸收光谱的多普勒展宽测温可实现芯片尺度室温范围的热力学温度测量, 但其拟合残差及不确定度受限于测量激光的功率稳定性, 针对此问题, 提出在外腔扫描式激光器的频率稳定基础上, 利用声光调制器以及高速比例-积分控制器构建闭环功率稳定系统, 提升并评价了测量激光光束的功率稳定性。实验证明测量光束在10mW微弱功率条件下相对噪声强度达到-126dB/Hz,30min内功率稳定性达到0.008%。上述激光功率稳定性有效减小了拟合残差以及不确定度, 为实现芯片尺度、在线免标定的热力学温度传感奠定基础。

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS), 基于吸收光谱的多普勒展宽原理, 对D2/NF3燃烧驱动的HBr化学激光器, 进行了光腔和扩压段的气体温度测量实验研究。为了有效地测量TDLAS吸收光谱, 选用了主气流中吸收系数较大的HF分子(2-0)振动谱带的R2谱线作为研究对象。实验中利用一台中心波长1 273 nm的分布反馈式(DFB)二极管激光器, 搭建了一套基于直接吸收法TDLAS的HBr化学激光器气体温度测量系统。通过对HF分子的吸收谱线进行Voigt线型拟合, 获得了多普勒展宽宽度, 从而给出了光腔和扩压段气体温度。在进行时域频域变换时, 使用了一台自由光谱范围(FSR)为1.5 GHz的F-P标准具用于频率校准。实验测量结果表明, 光腔温度约为280 K, 扩压段温度约为400 K。实验过程中的碰撞展宽和多普勒展宽的比值小于0.1, 表明多普勒展宽为主, 能够方便地用HF吸收光谱的展宽来监测光腔和扩压段的气体温度。

玻尔兹曼常量的定值致使温度测量逐步从协议温标向热力学温标过渡。为实现一种量子化的热力学温度测量传感方案，利用直接吸收光谱方法精密测量铯133原子D1(6S1/2→6P1/2)跃迁吸收谱线，依据谱线多普勒展宽分量获得原子气体在该平衡态下的热力学温度。实验验证将外腔扫描激光器输出频率锁定于精密波长计，实现1000s稳定时长条件下10-9量级的频率稳定度; 通过振幅型声光调制器闭环控制实现优于1000∶1的测量信噪比; 通过福格特线型拟合得到多普勒展宽半高全宽宽度。在室温条件下，初步结果显示温度测量误差为0.12%。由此验证了基于原子直接吸收光谱的多普勒展宽测温方法可用来实现芯片尺度、免标定的热力学温度测量。

水汽含量是大气最基本的物理参量之一, 大气水汽垂直分布结构对于大气过程的研究十分有意义。 差分吸收激光雷达可以昼夜获取高精度、 高距离分辨率的大气水汽垂直分布廓线, 是最有潜力的探测手段。 国际上已经发展出几种类型的差分吸收激光雷达, 对它们的发展路径做一梳理, 理清发展脉络, 具有有益的参考价值。 其中, 稍早时期水汽差分吸收激光雷达工作在4ν振动吸收带720～730 nm频域, 以Alexandrite为主流的激光器或者Nd∶YAG/ruby固体激光器泵浦的染料激光器作为发射光源, 光电倍增管仍然可以在这个波段担任探测器, 代表性的仪器是法国的机载LEANDRE Ⅱ。 此后发展的820 nm波段的水汽差分吸收激光雷达, 以钛宝石激光器或钛宝石光放大器为发射机, 以硅的雪崩二极管作为探测器, 紧跟前置放大和数据的AD采集器, 如德国Hohenheim大学的车载扫描激光雷达, 可以获得对流层300～4 000 m之间水汽两维或三维分布结构; 德国Institutfür Meteorologie und Klimaforschung所建立的差分吸收激光雷达可以探测3～12 km高度之间大气的水汽垂直分布。 720和820 nm波段水汽吸收截面较小, 更适合于地基或车载的对流层水汽廓线探测。 而水汽3ν振动谱935 nm区域吸收截面较大, 是为了空间探测大气对流层上、 平流层下相对干燥区域的水汽分布而准备的, 且可以安排多个探测波长, 和一个参考波长, 它们对水汽的吸收截面大小呈梯度分布, 以应对空间对地观测时不同高度大气水汽浓度的差别。 基于种子注入的光参量振荡器或Nd∶YGG全固态激光器的935 nm差分吸收激光雷达, 以德国Deutsches Zentrumfür Luft- und Raumfahrt的研究最为成功, 推动了欧洲空间局立项发展空间水汽差分吸收激光雷达WALES(Water Vapour Lidar Experiment in Space) , 测量从地球表面到平流层下、 高垂直分辨率和高精度水汽浓度分布。 机载多波长水汽差分吸收激光雷达1999年建立起来, 担当空间WALES任务的模拟器, 2006年完成了机载飞行试验。 以823～830 nm分布布拉格反射半导体激光器和半导体光放大器为核心、 采用雪崩二极管盖格光子计数技术的微脉冲差分吸收激光雷达, 是差分吸收激光雷达面向商业化、 可普及的方向迈出的重要一步, 目前已经发展到第四代产品。 发射机激光工作波长的长期稳定十分重要而棘手, 以窄带连续波种子激光注入脉冲激光器的谐振腔锁定其的腔长, 种子激光的波长以水汽的多通道光吸收池为参照标准, 或以高精度波长计为误差获取手段, 通过负反馈进行主动稳频; 其次, 需要仔细考虑大气对激光的后向散射光谱线型, 显然Rayleigh后向散射光的多普勒展宽与水汽吸收光谱线宽度可以比拟, 所以其吸收截面σon和σoff必需加以修正; 水汽的空间垂直分布梯度大, 因此差分吸收激光雷达应该实行分通道探测。

多普勒频谱是信道时变特性的频域表现形式。为了研究混响室的信道时变特性, 通过对混响室内散射机理和散射体分布的分析, 建立了混响室内多普勒频谱的近似模型, 并设计实验对模型进行验证。实验结果表明该模型能够拟合混响室内的多普勒频谱, 通过选择合适的搅拌速度和载频, 能够在混响室内合成具有一定多普勒展宽的电磁环境, 对描述和控制混响室内信道时变特性具有重要的指导意义。

提出了基于拉曼泵浦-探测技术得到的原子吸收谱线获取冷原子温度的方案,并将其应 用于85Rb原子磁光阱中。实验中,原子在囚禁光和探测光的共同作用下发生受激拉曼跃迁,产生 亚自然线宽的类色散峰,通过把该类色散峰与理论模型进行拟合估算出被囚禁85Rb冷原子团的温 度为230 μK。相对于飞行时间测温法,该方案提供了一种简捷的测量冷原子温度的方法。

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。

谱域光学多普勒层析(ODT)技术相对于传统的时域ODT技术,具有更快的成像速度和更大的测速动态范围。发展了基于谱域ODT技术的绝对速度测量方法,该方法综合运用多普勒频移和多普勒展宽信息实现多普勒夹角的确定,进而实现流体绝对速度的测量。给出了谱域ODT中计算多普勒频移和多普勒展宽的理论分析,并对毛细玻璃管内聚苯乙烯小球水溶液的流速进行了实际测量,实验结果和期望值能很好吻合。最后展示了该方法在老鼠脑部血管流速测量中的应用。