由于红外热释电探测器在低温环境下易发生温度漂移，导致非分散红外（NDIR）二氧化碳（CO₂）农业火灾检测仪受低温影响较大。针对上述问题，本文设计了一种应用于-40 ℃低温环境的探测器温度控制系统。给出了NDIR农业火灾检测仪的原理，探究了热释电探测器温度漂移现象，在此基础上，设计了以STM32F103为核心的温度控制系统。将温度控制系统集成于火灾检测仪中，在-40 ℃环境温度下，将探测器温度从20 ℃起始温度控温，稳定在21 ℃的响应时间为16 s，温度波动的1σ值为0.012 6 ℃，响应时间和稳定性均满足低温环境下的控温需求。在控温条件下，对传感器进行了标定，将气体标定实验得到的吸收通道与参考通道电压信号的一次谐波幅值比和标准气体浓度值进行指数拟合，拟合优度达到了99.852%。利用纯氮气（N₂）样品，对检测仪进行了25 min的稳定性测试，测得的浓度波动范围为-28.128 76×10^-6~27.240 5×10^-6。引入Allan方差进行评估，当积分时间为0.25 s时，检测下限为1.213 01×10^-6；当积分时间为114.75 s时，理论上系统的检测下限可达到4.822 5×10^-7。实验结果表明，该温度控制系统可以保证火灾检测仪在低温环境下的正常工作。

在火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱技术中利用Ag特征谱线的Stark展宽作为指向，对等离子体电子密度进行了准确测量。采用纯银针作为放电电极，以含氢无机盐磷酸二氢钾为样品，根据Hβ线的Stark展宽确定了不同放电条件下的等离子体平均电子密度，并绘制了Ag I 520.91 nm Stark展宽与电子密度相对应的校正曲线。结果表明二者有很好的线性相关性，线性拟合度为0.982。在采用银放电电极的火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱技术中，分析不含氢样品时可以利用Ag原子谱线的Stark展宽间接确定等离子体电子密度，为火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱技术中进行等离子体电子密度分析提供了新的途径。

将波长调制技术与离轴积分腔技术相结合，建立了波长调制离轴积分腔输出光谱实验装置，增加吸收光程，避免低频的1/f噪声和与波长无关的背景功率的影响，将其应用于OH自由基探测研究。探测激光器选择2.8 μm中红外室温型连续波分布反馈式二极管激光器，OH自由基选择3 568.52 cm^-1处Q（1.5e）跃迁谱线开展光谱探测，在512 m有效吸收光程和100 s采样时间下，实现了OH自由基1.2×10⁸ molecule/cm³的探测极限。实验研究发现，在弱透过光强下，激光器放大的自发辐射对吸收系数测量影响大，本实验装置下造成了约70倍的吸收低估，需要有效避免。

针对传统商用音叉存在的共振频率高、振臂间距窄等问题，利用COMSOL有限元分析软件构建音叉理论模型，确定了音叉的共振频率及品质因数等核心电学参数与音叉几何尺寸之间的相关特性，进而通过控制音叉振臂形状、长度等几何特性，设计制备了具有振臂间距宽、共振频率低且品质因数高等特性的锤状异型音叉。在将音叉外表面设置为硬声场边界条件且将音叉基座设置为固定约束条件的情况下，对锤状异型定制音叉的关键参数进行了理论计算及实验测定。结果显示，与传统商用音叉相比，异型音叉在振臂间距扩大近3倍的情况下，其共振频率和品质因数两项音叉核心电学参数分别优化了62%和14%。为验证锤状异型定制音叉在光声光谱气体传感技术中的性能，基于该定制音叉搭建了乙炔石英增强光声光谱传感器。在对激光调制深度、微型声学谐振腔腔长、谐振腔装配位置等多项参数优化后，乙炔传感器在300 ms积分时间及常温常压条件下获得的检测极限相比基于传统商用音叉搭建的传感器提升了近一个数量级，达到了282×10^-9，归一化噪声等效吸收系数可达3.84×10^-9cm-1W/Hz。

针对H₂S气体在近红外波段的吸收系数低导致检测灵敏度难以提高的难题，提出了基于共振式多通光声池的SF₆分解产物H₂S气体检测技术。对赫里奥特型多通光声池进行优化设计，激光光束反射次数达到20次。近红外激光经功率放大后入射到多通光声池，通过多次光学反射大幅度提升了光声信号的激发效率，结合声学共振放大技术、光纤放大技术和波长调制-二次谐波检测技术，搭建了一套光声光谱气体检测系统，实现了SF₆背景下微量H₂S气体的高灵敏度检测。实验结果表明，归一化噪声等效吸收系数为2.23×10^-9 cm^-1·W·Hz^-1/2，在平均时间为100 s时，该检测系统对H₂S气体的检测极限达到2.7×10^-8。

针对真空脱气法脱气效率高但气量少的特点，提出了基于微型共振光声池的高灵敏度油中溶解气体检测技术。使用真空脱气法对变压器油中溶解的乙炔气体进行脱气，结合气室体积为12.4 mL的小体积H型共振式光声池，实现对油中溶解乙炔气体浓度的高灵敏度测量。利用掺铒光纤放大器对激光功率进行放大，并分析在近红外波段乙炔、水蒸气和二氧化碳的气体吸收光谱，选择较合适的气体吸收谱线进行光声信号激发。通过实验对激光调制电流和调制频率等参数进行优化。配置不同浓度的油样对系统的性能进行测试，得到系统对乙炔油样的最低检测限为0.2 μL/L。

为了避免对存在空气内腔器件加工过程中对壁损伤问题，需要实时判断孔穿透状态。针对该问题提出基于激光诱导击穿光谱检测技术的飞秒激光制孔的孔穿透检测方法，选取Cr（I）521.531 nm为特征发射光谱，利用特征谱线强度的变化实现孔穿透状态的判断。设计了光谱检测实验系统并在孔加工实验过程中实现了特征光谱的采集与孔穿透状态的判断，验证了该方法在解决孔加工过程中避免产生对壁损伤问题的可行性。

基于光在长光程吸收池中的传输特性，设计了一套新型的大气污染颗粒物消光模拟测量系统。该系统由消光测量装置和大气污染颗粒物模拟装置构成。消光测量装置主要由激光器、开放式Herriot长光程吸收池和光功率计构成。在消光测量装置中，开放式Herriot长光程吸收池将某一波长的光经固定角度的镜片多次反射达到增大光程的目的；同时有利于对其内部反射镜表面的清洁，提高消光测量的灵敏度；还能够实时检测用于消光的颗粒物浓度。消光系数通过吸收池入口和出口处监测到的光功率计算获得，光功率的测量中利用差分法降低了激光器本身能量波动带来的误差，提高消光系数测量的准确性。通过与真实大气雾霾情况下激光雷达测量到的消光系数进行对比，验证了所搭建消光模拟测量系统的合理性。

将波长调制光声光谱和光热光谱有效结合，提出了一种基于石英音叉探测器和光声光谱与光热光谱技术有效融合的双光谱气体检测技术。以大气中水汽为分析对象，利用1 392 nm附近的近红外半导体激光器搭建了一套基于石英音叉探测器的双光谱探测系统，结合波长调制技术中相位依赖特性，利用差分原理实现了波长调制光声光谱和光热光谱信号的有效叠加和增强，与传统探测方案中采用的单一光谱检测方法相比，有效利用了激光功率，实验结果显示，所提出的双光谱探测技术的总体信噪比分别是光声光谱与光热光谱信噪比的1.97和1.24倍，有效提升了系统检测灵敏度。

使用便携式地基傅里叶变换红外光谱仪（EM27/SUN）对合肥地区N₂O的柱浓度开展了观测与反演研究，分析评估优选了N₂O的吸收谱段，结合最优估算法反演N₂O的柱浓度，并与TCCON观测网高分辨率傅里叶变换光谱仪的反演结果进行了对比。结果表明，在六个月内晴空条件下观测的XN₂O在311.76~334.92 ppb之间，均值为323.26 ppb。对比分析与TCCON相同观测天的数据，两者观测的XN₂O变化范围分别为319.11~325.37 ppb和322.40~329.29 ppb，一致性较好。与TCCON站点反演结果相比，EM27/SUN光谱仪的反演结果略低，XN₂O总体误差为0.84~7.88 ppb，相对误差范围0.26%~2.41%。利用推导的校正因子对反演后的结果进行了后处理，误差降低到-0.90%~1.36%。