作为一门古老而又年轻的学科,光谱学一直处在不断发展的过程中。20世纪60年代,激光技术的出现曾使得光谱学在光谱分辨率、探测灵敏度两个核心问题上获得突破,从而由经典光谱学进入激光光谱学时代。近二十年来,基于高品质光学无源腔的激光吸收光谱技术的出现再次使得光谱学发生变革,这类以腔衰荡光谱为代表的新型高灵敏度光谱技术结构更简单、灵敏度更高,目前已成为光谱技术中的标准方法,并被广泛应用于微量气态物质定性及定量分析的众多领域。除腔衰荡光谱(包括脉冲法和连续光波法)外,这类新型激光吸收光谱技术还包括腔增强吸收光谱、相移腔衰荡光谱、腔输出积分光谱及新近产生的离轴腔输出积分光谱等等。在此,本文根据国内的研究状况,以腔衰荡光谱技术中的连续光波法为重点,就与该技术密切相关的系列重大问题进行了深入研究,并在此基础上对离轴腔输出积分光谱等技术进行了初步研究;建立了数套等噪声测量灵敏度达~10-9cm-1量级的各类光谱测量系统,并应用这些系统进行了大量的应用研究。本文的主要内容和得到的结论可以概括如下:(1)基于能量守恒原理及无源腔Q值的定义式,本文首先从一个新角度对连续波腔衰荡技术的测量原理进行了推导,并根据推导结果分析并模拟了入射光关断时间以及无源腔充光效率等因素对测量结果可能造成的影响。随后,围绕影响连续波腔衰荡光谱技术测量灵敏度和精度的若干重要理论问题进行了阐述和研究。这些问题包括:激光与无源腔之间的模式耦合与频率匹配,以及探测器的响应特性对系统测量结果的影响等等。此外,为解释说明该技术应用中出现的一些奇异现象,本文还对多层介质规整高反膜的光谱特性等内容进行了分析和仿真。(2)基于理论分析结果,对连续波腔衰荡光谱系统的结构设计及软硬件实现进行了介绍。以DFB激光器为光源,以石英玻璃及超低膨胀系数微晶玻璃为腔体材料,建立起数套腔长不等、结构各异的高灵敏度连续波腔衰荡光谱系统。这些系统通过DFB激光器的电流调制实现激光的快速关断,由此节省了常规系统所需的光开关器件;通过光纤准直器的参数选择、无源腔的结构设计及峰值采样电路的应用保证了无源腔的基模衰荡,从而节省了常规系统所需的模式匹配镜;通过DFB激光器的温度及电流调谐简单地实现入射光的光谱扫描,进而节省了其它激光光源所需的波长扫描部件。通过对系统各部分性能的测试,得到激光的等效关断时间小于80ns、波长短期稳定度为~0.002cm-1;也获得了探测器PDA400不同增益设置时的响应时间。此外,还对腔衰荡光谱系统初期实验中出现的模拍现象及标准具效应进行了研究,结合理论分析结果解释了这些现象的根源,提出了消除这些现象的技术方案,并进行了实验验证。(3)对调谐式、调腔式直腔形连续波腔衰荡光谱系统各自的特点及应用进行了深入研究。其中,所建立的调谐式石英玻璃直腔系统(腔长~360mm)以及调腔式微晶玻璃直腔系统(腔长~249mm)的等噪声测量灵敏度分别可达4.1×10-9cm-1和3.2×10-9cm-1。应用微晶玻璃直腔系统对笑气(N2O)、水汽(H2O)及甲烷(CH4)等分子的吸收光谱进行了测量,并将测得的谱线参数与HITRAN2004数据库进行了对比,从中发现甲烷分子在6586.5~6595.5cm-1范围内数据库没有收录的48条弱吸收谱线。就该系统在气体浓度检测领域的应用进行了实验研究,结果表明系统对笑气浓度的测量灵敏度可达ppm量级,对乙炔(C2H2)浓度的检测灵敏度可达ppb量级。此外,还应用该系统对DFB激光器电流调谐系数的标定进行了研究,结果表明,基于腔衰荡光谱技术及HITRAN2004数据库的波长标定方法的精度要比传统的利用波长计进行标定的结果高2~3倍。(4)对腔体长~250 mm、总腔长~750mm的“Z”形光路折叠腔衰荡光谱系统进行了实验研究,得到其等噪声测量灵敏度~1.5×10-7cm-1。对测试结果中出现的腔损耗谱纹波现象进行了深入地实验研究和理论分析,确认该现象主要来自于标准具效应。在分析中也发现,光谱扫描时,折叠腔镜高反膜内的光波场出现周期性振荡现象,此发现对于高反膜各种类型损耗的分离测量具有重要意义。对腔体长~250mm、总腔长~1m的“8”形光路环形腔系统进行了测试,证实了折叠腔系统中有关腔损耗谱纹波现象得出的结论,并得到了调谐式、调腔式环形腔系统的等噪声测量灵敏度分别为1.02×10-8cm-1和6.6×10-9cm-1。此外,还就环形腔系统及直腔形系统的测试结果进行了对比实验,验证了有关腔结构对系统测量精度影响的理论分析结果。(5)对离轴腔输出积分光谱及波长调制离轴腔输出积分光谱进行了初步研究。根据光学无源腔的性质及信号与系统的有关原理,本文以一种新的方式对这两种新型光谱技术的测量原理及信号表达式进行了推导,并着重对波长调制离轴腔输出积分光谱技术中有关参数的选择进行了理论分析和数值模拟。建立了一套等噪声灵敏度~2.8×10-9cm-1的低成本、紧凑型离轴腔输出积分光谱系统,应用该系统测量了6587~6595.5cm-1光谱范围内的水汽吸收光谱,并就测得的结果与连续波腔衰荡光谱及HITRAN2004数据库所提供的结果进行了对比。此外,还对波长调制离轴腔输出积分光谱及其应用进行了初步的实验研究,验证了该技术中有关问题的理论分析结果。