受激拉曼散射是相干拉曼散射中的一种, 其产生的信号在三阶非线性效应下得到了显著地增强, 且没有非共振背景的干扰, 光谱与自发拉曼光谱几乎完全一致。 因此, 基于受激拉曼散射的显微成像技术具有无标记、 高特异性、 非侵入等优点, 已成功运用在生物细胞成像中并取得了许多重大的成就。 受激拉曼信号与激发光的波长相同, 易受到激发光背景噪声的干扰, 为解决该难题, 常采用光学调制与相敏检测相结合的方法对其进行检测。 检测过程中, 调制深度对受激拉曼信号强度和信噪比有重要影响。 针对此, 基于相关理论深入分析了调制深度对受激拉曼信号强度及信噪比的影响。 同时考虑到在生物光谱成像等应用中, 细胞光损伤阈值对两束激发光功率之和的限制, 分析了不同调制深度下, 获取最大信号强度及最佳信噪比的激发光功率配置方法。 通过搭建受激拉曼实验系统, 以二甲基亚砜为研究对象, 进行实验验证。 研究结果表明, 在光损伤阈值的限制条件下进行受激拉曼损耗检测时, 同一调制深度下, 当泵浦光与斯托克斯光光功率比为1: 1时信号强度达到最强, 比值为1∶2时信号的信噪比达到最佳。 在泵浦光与斯托克斯光光功率比相同的条件下, 受激拉曼信号强度和信噪比均随调制深度的降低而降低且近似呈线性相关。 实验得到的二甲基亚砜受激拉曼光谱图也验证了在实际样品的光谱检测中, 调制深度越高得到的光谱信号越强, 信噪比越佳, 整体的光谱质量也越好。 该研究结果是对受激拉曼显微技术在信号调制与检测方面的完善, 可为受激拉曼光谱检测和细胞成像实验做出参考性指导。

非侵入式角膜在体弹性测量具有重要临床意义却尚无金标准。提出了基于光学相干层析(OCT)的光学相干弹性成像方法(OCE),实现了微气体(压强为10~40 Pa)脉冲激励下软组织的亚纳米-微米级振幅力学响应的高分辨观测。结合时域恢复曲线拟合模型(R-Model)和频域单自由度振动模型(SDOF-Model),测量了浓度(质量分数)为1.0%~2.0%的琼脂仿体和两名志愿者角膜的固有频率。测量结果表明:固有频率值不受激励压强大小的影响,且与杨氏模量的平方根正相关(皮尔逊相关系数为r≥0.98);SDOF-Model具有更好的可重复性,其平均离散系数(CV)为0.9%(琼脂仿体)和1.7%(人眼角膜),而R-Model的平均CV则高达8.4%(琼脂仿体)和42.6%(人眼角膜),即基于SDOF-Model的微激励OCE方法更适合人眼角膜固有频率的在体测量。

为了实现对微小位移的测量, 研制了一套基于单模光纤输出半导体激光器和2维位置敏感探测器的位移检测系统, 可以有效地抑制环境光噪声。对半导体激光器的注入电流进行1kHz的调制, 实现输出光功率的调制。在信号处理电路中, 采用相敏检波技术, 解调探测器的输出交流信号, 得出光斑能量中心位置, 消除外界干扰。结果表明,测量精度优于1μm。这一结果对于多自由度误差检测是有帮助的。

为了提取淹没在噪声中的弱吸收信号，对波长调制光谱测量中的相敏检测技术进行研究，提出了一种数字化相敏检测实现方案。采用正交矢量型结构实现相敏检测过程，通过硬件电路设计和上位机程序编写，完成吸收信号谐波分量的获取。对空气中的O2进行检测，针对O2位于764 nm附近的一对吸收谱线，成功提取了吸收信号的二次谐波分量。结果显示，系统的检测极限体积分数为0.50%（光程为1 m）。

可调谐二极管激光频率调制吸收光谱(FM－TDLAS)技术是一种高灵敏度的痕量气体检测方法。为改善以CH₄为目标气体检测系统的信噪比，提高系统的检测灵敏度，以双平衡混频器(double balanced mixer)为核心，设计了一套用于提取被噪声淹没的微弱信号的调制解调高频相敏探测器。在对高频相敏探测器进行具体设计和分析的基础上，结合实验，利用CH₄气体在1653nm附近的近红外吸收光谱，对整体电路的性能进行了测试，获得了具有较高信噪比的二次和一次谐波信号，检测灵敏度可达10×10^－6。

提出一种基于半导体激光器泵浦Nd∶YAG微片激光器的回馈干涉系统，适合于非配合目标的位移和绝对距离测量。该测量系统包括移频回馈干涉光学系统，基于泵浦调制的微片激光器调频系统和相敏检波信号处理系统3部分。介绍了移频回馈干涉的原理，给出了位移测量和绝对距离测量应用的原理和测量方法，分析了测量的分辨率。实际测量了发黑工件表面的位移和绝对距离。实验结果表明，该回馈干涉系统灵敏度高，对被测表面反射率的要求很低，兼有对非配合目标的高分辨率位移测量和绝对距离测量的能力。