阐述了相干差分吸收激光雷达（CDIAL）探测大气二氧化碳（CO₂）的原理，设计了1.57 μm波段微脉冲相干探测系统，并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO₂体积分数的反演精度的影响。仿真结果显示：当波长漂移为0.5 pm、温度不确定度为1 K、压强不确定度为1 hPa、水汽体积分数测量不确定度为10%时，这些参数引起的总体误差为0.45%；在大气中CO₂的体积分数为4×10^-4时，微脉冲相干激光雷达探测CO₂体积分数的测量误差约为1.8×10^-6。

为了更准确地分析空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统, 建立了考虑系统噪声的气体体积分数传感理论模型。采用该模型对空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统的性能进行了仿真和讨论。结果表明, 利用空域无源光纤腔衰荡传感技术, 通过测量衰荡距离, 可实现灵敏度高达56.226 km-1的乙炔体积分数的测量, 稳定性达0.47%, 检测极限达260.577×10-6, 且稳定性和检测极限还可通过减少光纤腔的固有腔损耗得到进一步的提高。此研究对于体积分数传感系统的优化设计应用具有理论指导意义。

氢气作为一种可持续、无污染的新型绿色能源，在现代工业中受到了广泛关注。但在存储和使用过程中，氢气容易发生泄漏并引发爆炸，因此对其体积分数进行检测非常重要。为此，提出一种基于钯（Pd）修饰六方氮化硼（hBN）薄膜的新型探针式光纤氢气传感器。讨论hBN薄膜的机械和光学特性，指出其作为Fabry-Perot（F-P）干涉仪反射膜在机械、光学、氢气吸附/脱附速度等领域所具有的显著技术优势；研究hBN表面敷Pd的工艺过程；设计以Pd修饰hBN薄膜为反射膜的光纤F-P腔结构并研究其制备工艺。实验结果表明，所设计的传感器在氢气体积分数为0.02%~0.5%时的检测灵敏度为0.58 pm/10^-6，对体积分数为0.1%的氢气的响应时间为60 s，且具有重复性好等特点。该传感器结构紧凑、耐腐蚀，在电力变压器油中氢气检测等方面具有潜在的技术优势。

基于腔增强吸收光谱（CEAS）技术和波长调制光谱（WMS）技术，搭建了腔增强光谱测量系统，并采用该系统实现了CO体积分数的测量。实验中使用中心波长为2.3 μm的分布式反馈激光器作为光源，以反射率为99.8％的两片高反镜构建了基长为30 cm的光学腔，达到了147.15 m的有效吸收路径；在此基础上，利用4297.705 cm^-1处的CO吸收谱线作为传感目标，实现了对CO的探测。利用CO体积分数不同的CO+N₂的混合气体对系统的测量准确度进行验证，结果显示，测量值与参考值大小基本吻合，测量误差约为0.2%，证实了所搭建系统的测量准确性。利用体积分数为3×10^-6的CO气体的二次谐波信号对系统的探测极限进行了分析，得到系统对CO的探测极限为138×10^-9。

生物柴油的原料多元化，制备出的生物柴油理化特性也大不相同，因此其污染物排放特性需进一步研究。本文利用基于消光法标定的激光诱导炽光技术来测量一系列生物柴油的碳烟体积分数，以探究含氧生物燃料与传统柴油掺混后的基础碳烟排放特性。结果表明，纯含氧生物燃料的碳烟体积分数峰值较低，仅为传统柴油的7.1%~30.5%。碳烟的形成随着生物柴油掺混比例增加而呈下降趋势，与含氧燃料掺混传统柴油的碳烟排放特性一致，而不饱和度较高的生物燃料更倾向于更多的碳烟排放。生物柴油产生的粒径颗粒相对较小，比传统柴油小了大约9.5%~41.3%。碳烟颗粒物形貌方面，生物柴油与传统柴油均呈现出团簇结构，而高饱和度的生物柴油产生的碳烟颗粒粒径相对较大，但数量密度较低。

结合笼形分子（Cryptophane-E）对甲烷气体的选择性吸收特性，提出了一种基于双层薄膜的高灵敏度长周期光纤光栅（LPFG）甲烷体积分数传感器。通过减小包层直径使低阶包层模式LP₀₆工作在色散转折点（DTP）附近，并在光纤表面涂覆厚度经过优化的TiO₂薄膜，以确保包层模式LP₀₆在模式转换（MT）区内与纤芯模式LP₀₁耦合，从而显著提高了LPFG的折射率灵敏度。由于甲烷气体分子会改变最外层Cryptophane-E薄膜的材料折射率，进而改变包层模式的有效折射率，因此通过监测共振波长的移动即可实现对甲烷气体体积分数的测量。在DTP和MT效应的共同作用下，当甲烷气体体积分数从0%变化到3.5%时，所提的LPFG传感器平均灵敏度高达249.6 nm/%。此外，针对本传感器在不同甲烷体积分数下的非线性响应特征，设计了反向传播（BP）神经网络信号解调算法。研究结果表明：在甲烷气体体积分数变化范围内，其最大预测误差为0.008%，该传感器良好的性能使其在煤矿安全监测等领域具有潜在的应用价值。

为了研究激光调制参量对二次谐波信号峰值、信噪比、峰宽、对称性以及信号完整性的影响, 基于硬件实验系统与Simulink仿真模型进行分析, 验证了理论模拟结果与此硬件系统下信号变化趋势的一致性, 同时确定了CO2检测系统的最佳调制参量。通过实验系统对不同体积分数的CO2在1432.04nm处的吸收光谱进行了测量, 建立主吸收峰处信号强度与不同体积分数CO2的反演模型, 分析了系统性能及测量精度。结果表明, 线性拟合系数R2=0.9998, 气体体积分数反演最大相对误差为0.7333%, 系统检测限为0.0074%; 通过调制参量的优化选择可以获得较为理想的二次谐波信号, 从而实现待测气体体积分数的精确反演。该研究为检测系统中调制参量的优化提供了重要参考, 为系统测量精度的改善提供了指导。

中高体积分数SiCp/Al复合材料相较于传统合金材料具有力学性能和热学性能“可裁剪”的特点。本文介绍了中高体积分数SiCp/Al复合材料的主要制备技术工艺，以及中高体积分数SiCp/Al复合材料在精密仪器、光学系统、电子封装及热控领域典型应用，最后展望了中高体积分数SiCp/Al复合材料未来的发展趋势。

为了降低激光通信载荷在轨工作中空间环境对于光学系统的影响, 提高通信质量以及跟踪精度, 使用综合性能较好的高体分SiC/Al作为主镜材料, 并通过有限元分析确定了主镜结构的几个重要优化参数。提出了一种一体式主镜柔性支撑, 该结构避免了使用不同材料支撑组件线膨胀系数不匹配而产生的应力集中, 提高了主镜面形的温度稳定性, 并在此基础上降低了主镜及其支撑的总体质量, 实现了光学系统的轻量化。仿真分析表明, 该结构在重力释放条件下, 主镜面形误差PV值为λ/52, RMS值为λ/275。工作环境发生±4℃温度变化的情况下, 主镜面形误差PV值为λ/11, RMS值为λ/71。主镜及其一体化支撑基频为208 Hz, 主镜单独轻量化率为55.3%, 进行一体化设计后主镜及支撑相比传统设计轻量化率为19.87%, 能够满足总体指标要求。