光学频率梳（简称“光梳”）的诞生为精密测量提供了理想光源。双光梳技术利用两台异步光梳在单点或阵列探测器件上进行光外差拍频探测的方式,可以实现兼具高时间分辨与高频谱分辨的宽带分子光谱测量、精密测距以及高维全息成像,进而为分子物理等基础学科以及包括红外遥感、化学分析、生医成像、环境监测等在内的应用领域提供了重要工具。例如,在分子光谱方面,双光梳光谱技术不依赖于机械扫描及色散元件,兼具了光谱范围宽、分辨率高、精度高及测量时间短的优势,为亚多普勒分子光谱测量及瞬态光谱分析提供了有效途径。在测距方面,双光梳测距技术,融合了脉冲飞行时间法的大动态范围、高更新速率的特点和激光干涉法的高分辨及高精度（纳米量级）的优势,为激光测控提供了全新平台。但梳齿平均功率、光梳相干性、光学探测背景、宽带噪声等因素限制了双光梳技术的信噪比与灵敏度,不利于其在痕量分析、远程遥测、工业气体监测等重要应用领域的发展。此外,基于锁模激光器的双光梳系统通常存在对环境扰动敏感、系统复杂且成本高等问题,难以拓展应用领域。针对上述问题,本文从光梳光源（相干性与相位噪声抑制）、分子共振吸收（红外分子振动能级跃迁）及灵敏探测（光声探测及单光子探测）三个方面,探索了兼具高分辨率、高精度与高灵敏度的双光梳测量新机理与新方法。同时,在实验上改进了基于电光调制频率梳的双光梳系统,降低了系统复杂度,并开展了其在气体分压力计量、红外光谱分析、痕量分析以及单光子测距等领域的应用研究。本论文的具体研究内容和创新点如下:1.研制了基于单个电光调制器的低噪声、捷变频电光光梳源,其频域窄线宽梳齿根数达4800根,时域脉宽接近傅里叶极限（260fs）,中心波长（1520nm-1610nm）与重复频率（9k Hz-1GHz）可灵活调谐。利用基于声光移频器的前馈式控制技术,可将宽带噪声抑制20d B以上,为开展高信噪比的双光梳测量技术研究提供了相干光源。2.提出基于电光双光梳的高灵敏、高分辨气体吸收光谱测量方案,发展了前馈式自稳频快速（5.45THz/s）频谱插值新方法,结合光学差频技术与双光梳光谱技术,实现多普勒极限的高分辨（54.5MHz或2pm）中红外分子光谱测量,其灵敏度较近红外光谱结果提高了近2个量级。通过多峰拟合与气压反演方法,实现了非侵入式、高精度、高分辨的快速真空分压力精确测量。3.提出基于光声效应与石英共振增强效应的双光梳线性与非线性光声光谱的概念,探索了非线性饱和吸收效应、光声效应及光梳光谱方法的结合机制,突破了分子多普勒效应对光声光谱分辨率的限制,光谱分辨率达10 MHz,实现了对稀薄气体分子的均匀碰撞加宽谱线（线宽45.8MHz）的无扫频一次性成谱测量。4.结合薄膜共振效应与腔增强探测方式,发展出超灵敏、宽频带双光梳光声光谱快速探测技术,拓展了声频共振探测带宽（1.4MHz）,弥补了微音器（～k Hz）或音叉（～Hz）带宽对双光梳谱宽与测量时间的限制,实现了微秒量级的梳齿可分辨光声光谱测量以及烃类气体分子的超灵敏（1.2ppb）、一次性成谱探测,为痕量分析提供了新途径。5.探索了单光子水平的双光梳灵敏测量新方法,结合时间相关单光子计数技术与异步光学取样方式,规避了探测器响应时间与脉宽对脉冲飞行时间法测距精度的限制,实现了弱光条件下的双光梳飞行时间与干涉测距,在15.6 m距离下的测距精度可达2μm。