基于Taylor级数展开法对微波光子链路的性能进行分析。为了提高对微波光子链路理论分析的精确性，该方法基于Taylor级数和调制系数分析了Taylor级数展开法的适用范围。结果表明，当调制系数m在0~1.74范围时，Bessel函数展开法计算的平均峰值比实验数据高5~6 dB，而Taylor级数展开法计算的平均峰值比实验数据高1~2 dB，更接近理论计算结果。

在可调谐二极管激光吸收光谱技术中, 直接吸收法通过对透射光强拟合可直接得到线型函数, 但目前具有较高信噪比的波长调制法不能对其进行有效测量。提出一种基于多次谐波的线型函数测量理论及方法, 通过谐波通项表达式推导出谱线中心频率处二次与四次谐波比值仅与线型函数和调制系数有关, 当调制系数m为2.492 8时, 无论线型函数中Gauss线宽和Lorentz线宽所占比例如何, 二次与四次谐波比值均为2.186 2, 根据该点的特征可首先得到谱线半宽, 然后将其应用于弱吸收条件下2f/1f气体浓度免标法测量。实验中采用2 326.82 nm处谱线对CO浓度进行了测量, 其结果与传统直接吸收法测量结果误差小于2%。文中为波长调制法中线型函数的精确测量提供了重要的理论依据, 进一步完善了2f/1f免标法。

采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性, 并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子, 然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程, 并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600 kV、束流为5 kA的16注电子束, 当输入腔间隙电压分别为4.6, 32.7, 189 kV时, 采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系, 理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6 kV时, 理论计算了多注电子数的个数分别为8,12,16 以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15,8/15,10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明, 随着多注电子数的个数和电子束半径的增加, 基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20 kV时, 归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。

采用一维自洽束波互作用的非线性理论，探索了相对论速调管放大器(RKA)的束流调制特性，并与二维PIC结果进行了比较和分析。首先推导了环形电子束的几何因子，然后分别给出了两腔调制时归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程。采用调制电子束激励中间腔的非线性理论估算了中间腔间隙电压的幅度和相位，幅度的相对误差为0.07%，相位误差为2.15°。给出了输入腔和中间腔的间隙耦合系数公式，对于束压为715.2 kV、束流为8 kA的电子束，当输入腔和中间腔间隙电压分别为14，315.2 kV，输入腔和中间腔相位差为90.59°时，采用一维非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系。对于基波电流调制系数，中间腔之前处于线性区，理论值与模拟值比较一致；在中间腔内部基波电流调制系数出现明显的下降，理论值与模拟值之间的差距较大；中间腔之后处于非线性区，对于基波电流调制系数的最大值和对应的纵向位置，理论值与模拟值基本一致。当束流传输距离为65.8 cm时，计算了归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和电荷守恒参量N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化情况。

以可调谐激光二极管吸收光谱技术为基础,结合波长调制光谱技术,对不同体积浓度的二氧化碳气体进行检测。分别分析正弦波调制 信号的不同调制电压及调制频率对二次谐波信号波形及峰值的影响。结果显示当调制电压为0.25 V、调制频率为10 kHz时,得到 的二次谐波信号较好。在此基础上,利用实验室中搭建的单光路测量系统对不同浓度的CO2气体进行检测,得到气体浓度与二次谐波 峰值线性相关系数为0.998,系统的检测极限为450 ppm。研究为该类系统调制系数的选择提供了实验依据,为工业应用打下了基础。

分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程, 并提出了完整的数值计算方法。对于束压束流分别为511 kV, 5 kA和800 kV, 8 kA两组典型参数, 采用非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了电流调制系数和距离的关系。在线性增长区以及当调制电流达到最大值并开始缓慢下降后, 理论与模拟都符合得很好。此外还计算了电子束动能和调制电流的n次谐波的模式强度随归一化距离的变化情况: 一次和二次谐波强度较大, 八次以上谐波幅度较小而可以忽略。

在气体质量流量测量系统中，波长调制光谱信号的谐波分量，特别是其二次谐波分量常被用作为检测对象，用于气体浓度、速度等信息的反演。基于波长调制原理，利用氧气（O2）分子在764.28 nm附近的吸收谱线，分析了常见线型的半峰全宽，得出了不同温度、压强下洛伦兹线型的适用范围；研究了O2分子吸收谱线在不同温度、压强条件下的二次谐波峰值；对不同温度、压强下，采用二次谐波峰值反演气体浓度产生的误差进行了分析，并提出了误差修正方法；分析了实验过程中当最佳调制深度不能够随着温度、压强即时调整的情况下，最优调制系数在不同温度、压强变化下的适用范围，并给出了误差修正公式。

基于谐波检测的调制光谱技术可以实现气体浓度的高灵敏检测,而最佳分析性能的实现依赖于系统调制参数 的优化。研究了基于谐波的红外激光调制光谱信号特征,分析了调制参数与谐波特性的对应关系,针对 典型的红外半导体激光光谱气体检测系统开展了实验研究与验证分析,获取了不同调制信号电压的谐 波信号特征,分析确定了系统最佳调制参数。

基于钛扩散铌酸锂(Ti∶LiNbO3)波导的集成光学电光调制技术的干涉光谱仪是Ti∶LiNbO3调制器的一种崭新应用, 一般应用的探测光谱区间是在波导的单模区间。为拓宽探测波长范围至多模传输范围, 以x向切割, y向传输。以共面对称电极的Ti∶LiNbO3波导电光调制干涉器(器件长度60mm)为例, 模拟了多模传输时电光调制系数的模式色散现象。数值模拟中采用了有限差分方法(FDM)。分析表明, 在多模传输情况下, 光的各阶模式的光场分布差异导致了电光调制系数的模式色散; 在对经线性扫描电压调制后的干涉输出数据进行傅里叶变换谱分析后, 可发现对应波长的各阶传输模式谱。实验采用0.808μm单模偏振光源, 在激励起准TE多模式和激励起混合模两种情况下, 验证了数值模拟和分析的结果。

研究了光栅外腔半导体激光器(ECDL)对射频频率调制的响应特性，分析了射频频率调制时光栅外腔对半导体激光器的边带信号的影响。实验中测量了GHz射频频率调制的ECDL输出的边带信号随射频信号功率、注入电流、光栅外腔长度的变化情况。证实了当射频调制频率等于光栅外腔自由光谱区的整数倍时，ECDL输出的边带信号可在一定程度上得到增强。