针对星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达的应用需求，研制了一套利用空芯光子晶体光纤(HC-PCF)作为吸收池，以CO2气体1.57 μm处的吸收线作为频率参考，基于频率调制光谱稳频技术的激光稳频系统。结合其工作原理，建立仿真模型，计算了CO2气压、光谱调制频率以及调制深度对稳频误差信号的影响，给出最优化的设计参数。并且与实验测试数据进行了比对，实验数据与计算结果吻合。报道了系统的稳频效果，给出进一步提升稳频性能的方案意见。

为了研制适用于激光差分吸收雷达(DIAL)的可调谐横向激励大气压(TEA)CO2激光器,利用六温度模型速率方程理论,分析了TEA CO2激光器的动力学特性,计算了激光器的各种输出特性。设计研制了一台高重复频率快调谐TEA CO2激光器,采用共振扫描镜扫描固定光栅的方案实现了激光的快调谐输出。当激光器高重复频率运转时,得到弱支谱线如10P(42)～10P(48)支谱线基横模能量大于100 mJ,脉冲宽度小于100 ns。10P(46)支谱线的远场发散角为2.41 mrad(水平),2.27 mrad(竖直),约为1.6倍衍射极限。实现了任意波长两条谱线在10 ms内快速切换输出。

设计了一种新型结构的激光器——双通道放电激励折叠腔TEA CO₂激光器。该激光器通过提高脉冲能量输出水平来增加激光输出谱线数目和激光差分吸收雷达可探测的气体种类。它在增大激光器放电时间长度的同时保证了较小的激光器体积，更好地满足了激光差分吸收雷达光源体积小，重量轻，输出能量高的要求。得到激光器输出能量与气体工作气压的关系曲线，获得了激光器内工作气压与输出脉宽关系曲线，发现脉冲宽度大约在50～70ns之间变化，研究了气体压强对激光器输出脉冲峰值功率的影响。

设计了一种新颖探测对流层二氧化碳气体的1572nm差分吸收雷达,它的发射系统基于脉冲的种子注入KTP参量振荡器(OPO).OPO由1064nm Nd:YAG多模激光泵浦,转换效率10%,重复频率20Hz,OPO的腔长由PZT单元和二氧化碳多通道吸收池精确控制,种子注入时,它可以产生单模窄带的信号光脉冲输出, 对应的空闲光输出仍然是多模.窄带on光源(线宽小于600MHz)对应于二氧化碳光谱的强吸收线,宽带off光源(150GHz)对应于光谱的弱吸收线.on?蚾ff双波长工作是通过对种子光的10Hz开关来得到的.雷达接收系统的核心是近红外光电倍增管和光子计数器,光电倍增管制冷到-60℃以降低其噪声.实验表明,该雷达的信噪比在6km以内大于10 :1(10分钟6000个脉冲累加).

为扩展可调谐TEA CO2激光器的输出波长范围,增加差分吸收雷达可探测的物质种类,采用13C16O2代替激光器工作气体中的CO2成分。计算了TEA13C16O2激光器在Ⅰ波段两个分支上的小信号增益系数分布。利用平面光栅单色仪,在小型快调谐TEA13C16O2激光器的Ⅰ波段共测到了32条谱线的能量输出,输出范围为10.663～11.347 μm。与采用普通CO2作为工作气体的情况相比,激光器谱线输出范围在长波长方向上有很大扩展,输出的最长波长由CO2的10.74 μm增大到11.347 μm。测得TEA13C16O2激光器的最高输出能量为107 mJ,并给出了Ⅰ波段典型谱线脉冲的半峰全宽。

报道了两种快速调谐技术的研究--6面转镜+固定光栅法和高频步进电机驱动光栅法.实验表明,高频步进电机法优于转镜法.实验得到激光器的一级调谐输出谱线50余条,激光输出能量(30～100)mJ.在单台CO2激光器上实现快速调谐输出波长不同的激光脉冲,其时间间隔达到≤10ms.