为了提高复杂环境中甲烷气体探测的适用性,选择空芯带隙型光子晶体光纤(单端镀全反膜)作为光学气室,实现了置入式同源甲烷浓度的探测。采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,结合长度为0.5 m的空芯带隙型光子晶体光纤,实现了甲烷气体的在线测量,系统的检测下限可达到1.92×10 -5,稳定性波动小于±2.18%。单端全反射设计配合同源探测方式使复杂环境中的甲烷浓度的置入式探测成为可能,为单光源分布式探测提供了研究基础。

物体的热膨胀性质反映了材料本身的属性, 通常将固体受热后在一维方向上长度的变化称为线膨胀。测量材料的线膨胀系数, 不仅对新材料的研制具有重要意义, 而且也是选用材料的重要指标之一。将激光外差技术与多普勒效应深度融合, 提出一种多光束激光外差测量金属线膨胀系数的新方法, 即利用多普勒振镜把待测参数信息调制到多光束激光外差信号的频率差中, 信号解调后可以同时获取多个待测参数信息, 对多个待测参数加权平均, 从而可以精确得到待测样品长度随温度的变化量, 最终提高待测样品线膨胀系数的测量精度。基于该方法, 对不同温度情况下金属棒线膨胀系数进行了仿真研究, 结果表明该方法测量金属棒线膨胀系数的相对误差为0.1%。与传统测量方法相比, 测量精度提高了一个数量级。

电致伸缩系数反映了压电材料本身的固有属性, 是衡量电致伸缩特性的重要参数之一。基于逆压电效应, 准确测量微小长度变化量可实现电致伸缩系数的高精度测量。现有光学测量方法基于直接检测光强分布获取微小长度变化量, 但受光源功率稳定性和环境扰动制约, 测量精度不高。为此, 本文采用多光束激光外差技术融合多普勒振镜正弦调制技术, 加载微小长度变化量于外差信号频率中, 研究测量微小长度变化量的外差信号理论模型及外差信号频率与电致伸缩系数间数学模型, 实现外差信号频率检测取代直接强度检测, 消除光源稳定性与环境扰动影响, 并且采用频率解调可以同时获取多个微小长度变化量, 对这些微小长度变化量加权平均, 最终可以进一步提高电致伸缩系数的测量精度。以此为依据, 通过理论仿真研究待测样品的电致伸缩系数, 结果表明: 该方法的相对测量误差仅为0.28%。与现有技术相比, 测量精度提高了一个数量级。

提出了一种正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的新方法,将激光与工质靶作用产生的微冲量转化为扭摆的转动角度测量，基于激光外差技术和多普勒效应，把待测转角信息加载到外差信号的频率差中，经信号解调后可以得到待测转角值，通过多次测量取平均值的方法可以提高待测转角的测量精度，从而提高微冲量的测量精度。利用这种新方法，以PVC+2%C为工质靶，利用MATLAB仿真测量了激光与工质靶作用产生的微冲量，结果表明: 该测量的最大相对误差小于0.8%。

利用飞秒激光直写加工平台，对飞秒激光脉冲与半导体硅材料相互作用进行了研究。在不同的激光功率和脉冲数作用下，通过定点辐照和扫描方式在硅表面进行微结构诱导。用扫描电子显微镜对表面诱导结构进行表征，实验发现激光功率和脉冲数影响诱导微结构的形貌和周期，并发现诱导得到的周期性条纹结构的取向与诱导激光的偏振方向有关，通过调整激光的偏振方向可以有效地控制结构的取向。通过扫描的方式，可以在硅材料表面制备排列规则的周期结构。依据实验结果，分析了脉冲数对周期性条纹结构周期变化的影响。研究结果为硅材料表面微结构加工提供了参考。

提出了一种多光束激光外差测量磁致伸缩系数的方法。基于激光外差技术和多普勒效应，把待测参数信息加载到外差信号的频率差中，通过对外差信号作快速傅里叶变换(FFT)解调后可以同时得到多个待测参数值，对待测参数加权平均处理最终可以提高待测参数的测量精度。利用Matlab仿真模拟了不同电流条件下待测样品的磁致伸缩系数，结果表明相对误差仅为0.48%。

透射式激光外差干涉系统能精确测量待测物的内部折射率分布和厚度信息。设计了应用于干涉系统中的混合光学扫描结构，它由微机电系统(MEMS)振镜和f-θ透镜系统组成。f-θ透镜组由3片不同材料的透镜构成，透镜系统对2 μm激光波长有约40%的透射率，可扫描300 mm2的范围。 利用Zemax软件从衍射光斑、畸变系数、光束发散角3个方面对f-θ透镜模型进行了优化设计。优化结果表明，f-θ透镜出射扫描光束垂直于待测物体表面，系统焦距为434 mm，畸变像差小于0.5%。最后给出了f-θ透镜的设计实物图，并通过He-Ne激光给出了扫描结果示意图，达到了预期的设计指标。

给出了平衡式相干探测系统的一般信噪比数学模型，对该数学模型和普通单源相干探测系统的信噪比模型进行了数值仿真对比研究。仿真结果表明，当平衡式相干探测系统中的光电探测器理想匹配时，其系统的信噪比以分束比系数等于0.5呈对称分布；而当光电探测器失配时，系统的最大信噪比所对应的最佳光束分束比发生偏离。最后搭建了2 μm平衡式相干探测实验系统，实验结果表明，在相同的输入光功率下，平衡式相干探测系统的最大信噪比比普通单源相干探测系统的信噪比高19 dB；平衡式相干探测系统的信噪比趋于饱和的范围比普通相干探测系统趋于饱和的范围宽大约0.2。

研究了用于相干激光测风雷达信号接收的平衡式探测接收技术.推导出了平衡式相干探测过程的数学模型和信噪比表达式，并通过仿真软件对该模型进行了模拟仿真.在同等输入条件下，当平衡式相干探测系统的最佳分束比范围在［0.293，0.707］时，其信噪比比普通相干探测的信噪比高.此外，平衡式探测接收还具有判断风向的功能，最后通过实验验证了仿真结果.

利用自行研制的单模光纤输出2.05 μm半导体激光器，采用外差检测技术，研究了 2.05 μm全光纤声光移频器的调制特性和偏转特性，实验结果表明，该器件的中心频率为104.5 MHz、布拉格带宽为8.92 MHz、布拉格角为41.63 mrad，最大衍射效率约为95%，其实验结果与理论分析相吻合，能够满足整个2.05 μm相干激光多普勒测风雷达系统的需要。