多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）结合计算机断层重建算法可获取目标痕量气体的空间分布情况。 为研究在具有背景浓度的条件下, 如城市背景下某个竖直截面上重建NO2空间分布的可行性, 设计了气体浓度可控条件下的验证性实验; 证明了利用MAX-DOAS在竖直平面重建NO2气体分布的可行性。 将充入标准气体的JGS1石英玻璃样品池作为研究对象, 使用两台MAX-DOAS采集光谱数据。 将气体浓度的梯度作为先验信息, 利用经典的ABOCS算法和Barzilai-Borwein算法重建了竖直平面内的NO2气体分布, 验证了利用MAX-DOAS在竖直平面内重建NO2气体空间分布的可行性, 同时确定了背景浓度对重建结果的影响。 研究结果表明, 以天空为背景的光谱作为参考谱和以空样品池为背景作为参考谱, 反演得到的NO2浓度非常接近, 因此研究对象中的样品池容器在NO2竖直平面分布重建方法中对实验结果的影响可以忽略。 实验中以市区为背景的MAX-DOAS具有较高的背景浓度, 特别是在仰角较低的情况下NO2背景浓度几乎达到6×1016 molec·cm-2, 以城市郊区没有明显的污染源为背景的MAX-DOAS, 背景浓度较低可以忽略。 重建结果显示, 当仰角为28°时, 气体沿光路的平均分子数密度为3.932 7×1015 molec·cm-2, 且在样品池内下部密度大, 上部密度小; 重建得到的SCD和测量得到的SCD符合比较好, 计算结果显示重建得到的气体分子数密度的峰值为5.77×1015 molec·cm-2, 与以城市郊区为背景的MAX-DOAS反演结果较为接近, 而以市区为背景时, 特别是仰角较小时, NO2背景浓度特别明显, 重建结果比测量结果的值小很多。 结果表明, 背景浓度在重建图像中表现为伪影, 影响对气体分布的观察, 而如果在重建算法时加入利用样品池内外气体存在浓度突变这一先验信息, 能够减轻背景浓度对重建结果造成的影响。

为了实现对海水温度与盐度变化的同时监测，提出了一种基于光子晶体光纤（PCF）的表面等离子体共振（SPR）传感器。该传感器探头通过在两段多模光纤之间熔接一段PCF实现，并在PCF表面镀金膜用以激发SPR现象。该方案将光纤SPR传感探头与温敏材料聚二甲基硅氧烷相结合形成双重SPR效应，实现了海水的温度与盐度同时检测。实验结果表明：该传感器的最大温度灵敏度为-2.021 nm/℃，最大盐度灵敏度为0.418 nm/‰。该传感器体积小、制作简单、性能优异，适用于海水的多参数、分布式测量，在液态物质测量中有较好的应用前景。

测量分辨率和精度的不断提高是激光外差干涉测量的发展趋势，而抑制激光外差干涉测量精度进一步提升的主要因素是周期性非线性误差。提出了一种基于连续小波变换的激光外差干涉非线性误差补偿方法。对非线性误差函数进行Morlet小波变换，利用小波系数矩阵信息提取小波脊线，分析小波脊线上的特征信息，重构一次谐波非线性误差；利用最小二乘非线性拟合方法迭代拟合出二次谐波非线性误差。实验结果表明，将此方法应用于激光外差干涉测量系统中，非线性误差分量由5.97 nm减小到1.09 nm，非线性误差分量减小至原来的18%。该方法可有效抑制非线性误差的影响，并提高激光外差干涉测量的精度。

确定具有各向异性、非线性吸收特性的调Q晶体内电偶极子的取向,是测量其吸收截面的重要条件。通过对Co ²⁺∶MgAl₂O₄晶体所属的空间群以及掺杂Co ²⁺在晶胞结构中的位置对称性的分析,确定了晶体内电偶极子的跃迁方向主要是沿晶胞的4个体对角线方向分布的,建立了偏振入射光在Co ²⁺∶MgAl₂O₄晶体内传输的理论模型。实验测量了沿[100]方向切割的Co ²⁺∶MgAl₂O₄晶体在偏振入射光沿晶胞面对角线方向时的非线性透过率曲线,利用建立的模型对实验结果进行拟合,得到Co ²⁺∶MgAl₂O₄晶体在1.5 μm波段的基态吸收截面和激发态吸收截面分别为(3.6±0.3)×10 ^-19 cm ²和(4.5±0.4)×10 ^-20 cm ²。

利用差分吸收光谱技术 (DOAS) 反演了我国首个星载大气痕量气体差分吸收光谱仪 (EMI) 的臭氧斜柱浓度 (SCD), 通过 SCIATRAN 辐射传输模型建立了大气质量因子 (AMF) 的查找表, 最终得到 EMI 的臭氧垂直柱浓度 (即臭氧柱总量)。将 EMI、OMI 和 TROPOMI 于 2018 年 11 月 2 日获得的南极区域臭氧柱总量进行了对比分析, 三者均观测到南极中高纬度 (30° S～70° S) 的臭氧高值区域与南极内陆 (75° S～90° S) 的臭氧低值区域, 且 EMI 与 OMI、TROPOMI 的臭氧柱总量相关性 (R2) 分别为 0.977 和 0.979。进一步将 EMI 反演的臭氧柱总量与南极长城站 (62.22 S, 58.96 W) 地基天顶散射光差分吸收光谱仪 (ZSL-DOAS) 反演的臭氧柱总量进行对比, 二者相关性 (R2) 为 0.926。

烟羽断层重建质量受两方面条件限制: 其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。 以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）进行CT重建, 受采集数据速度的限制, 重建图像的时间分辨率较低。 另一个限制条件是, 采集到的数据量有限, 是典型的不完全角度重建。 过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法, 重建图像受测量误差的影响比较大, 分辨率较低且伪影较多。 构造了基于成像差分吸收光谱技术（IDOAS）的光谱数据采集系统, 与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比, 数据采集的时间分辨率提高了160多倍, 基本解决了时间分辨率的问题。 提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法——投影凸函数集低三阶导数法, 简称为POCS-LTD。 在投影的过程中, 使用代数重建算法使重建图像符合投影方程; 在全变分迭代的过程中使用了优化算法, 将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向, 前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。 对重建算法进行了数值模拟, 并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标, 对重建结果进行了分析。 数值模拟表明, 算法具有良好的抗误差能力, 与传统的低三阶导数法相比, 本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。 使用烟羽数据采集系统进行了外场实验, 用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建, 重建图像显示烟羽图像清晰, 伪影得到了较好的抑制。 介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法, 提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率, 减少了重建图像的伪影, 扩大了光谱测量技术的应用范围。

通过实验研究了大芯径尺寸晶体波导被动调Q脉冲激光器的输出特性。采用芯径尺寸为320 μm×400 μm、原子数分数为1%的Yb∶YAG,包层尺寸为7 mm×30 mm、原子数分数为0.5%的Er∶YAG,长度为77 mm的单包层矩形晶体波导,以及可饱和吸收晶体为初始透过率85%的Cr ⁴⁺∶YAG,获得了被动调Q脉冲能量0.84 mJ@8.7 kHz,脉冲宽度为23.8 ns,光束质量M²=1.12×1.06。实验结果证明,大芯径尺寸晶体波导被动调Q脉冲激光器可获得近衍射极限高峰值功率脉冲输出。