随着工业技术的发展和社会的进步,大气环境污染成为日益凸显的一个社会问题,越来越影响着人们的生活水平。利用激光光谱技术实现的光学传感器具有实时性强、探测灵敏度高等特点,可以有效地监测大气环境,包括颗粒物(气溶胶)和痕量污染气体(甲烷)等。目前的光学气体传感器是利用短光程的而实现的定点单一气体检测传感器,适用于灵敏度要求不高、单点监测、一种气体测量等应用场合。对大气中的痕量污染气体,这些传感器具有灵敏度低、不能区域测量、测量气体种类少的缺点。而探测气溶胶的远程传感器所使用的激光器波长具有对人眼不安全的缺点。因此,本文分别针对上述存在的问题进行了研究。采用了波长调制技术、光学频率梳技术、以及气溶胶激光遥感等技术并结合长光程吸收池和开路测量结构解决了存在的问题。本文设计了长距离的吸收池,研究了长光程单点高灵敏度的近红外和中红外光学气体传感器。首次将波长调制光谱技术应用在野外3 km的甲烷监测上,实现了区域型气体检测。为了实现多类气体的测量,本文研究了基于光学频率梳光谱技术结合长光程吸收池的单点传感器,并实现了开路测量实验。针对大气颗粒污染物的传感器的安全性,本文研究了 1.57 μm的气溶胶激光遥感测量系统。所发展的技术不仅应用到环境领域,也可以应用到医学领域,如人体呼吸气体(丙酮)。文章也进行了相关的研究。本文的主要工作如下:1.阐述了分子红外光谱吸收的基础理论,介绍了吸收谱线、线性函数等重要参数,并分析了温度、压强对吸收谱线、线性函数的影响。介绍了用于气体测量的波长调制光谱技术、腔衰减光谱技术、光学频率梳光谱技术三种技术原理。总结了激光测量系统的结构形式、光源和探测器。2.研究了近红外高灵敏度甲烷传感器及相关内容。设计并实现了长度为290m的长光程吸收池,提出了采用频率扫描光学相干测量方法实现了吸收池长度的高精度测量;设计和实现了数字锁相解调软件,并结合长光程吸收池,设计了近红外高灵敏度甲烷传感器;通过设计电路和自适应算法,实现了在大范围工作温度下对激光器温度的稳定控制。3.研究了中红外连续激光器和光学频率梳的丙酮及甲烷传感器。分析了中红外连续带间级联激光器的特征参数和光谱特征参数,结合波长调制技术实现了高灵敏度的丙酮光学传感器;设计和实现了长度为580 m的中红外长光程吸收池,实现了高灵敏度的甲烷传感器;介绍了光学频率梳光谱技术,推导了双光梳光谱技术的原理,实现了甲烷和丙酮测量传感器。4.研究了 1.57μ 气溶胶激光雷达系统、基于波长调制光谱技术与光学频率梳技术的开路系统测量。自主设计并完成了 1.57 μm激光光源原理样机,结合单光子探测器实现了 1.57 μm微脉冲气溶胶激光雷达系统;实现了四通道的数字锁相解调软件,利用波长调制光谱技术,实现了有效光程3 km左右的开路测量试验样机,系统灵敏度达到30 ppb;利用中红外光学频率梳光源和光学光谱仪在室内实现了测量长度为39.6m的开路测量系统,能够同时测量到甲烷、水。并对不同条件下的测试结果进行了对比分析。本文的研究创新点概括如下:1.首次设计实现了基于Confocal的近红外长光程吸收池,吸收池的长度为290 m。提出了一种基于光学频率扫描相干的长度测量方法,测量精度与光学吸收光谱方法相比较,提高了20倍。2.首次设计实现了一套可移动式高灵敏度甲烷传感器,包括解调软件的设计、光学平台的搭建以及传感器性能测试。传感器灵敏度可以达到1.2ppb。3.设计实现了基于脉宽调制和自适应算法相结合的激光器温度控制系统,能够实现激光器在大范围温度下实现快速温度稳定到常温温度,温度稳定误差为0.2 ℃,所设计实现的算法已经应用到企业的产品中。4.首次实现了基于中红外带间级联激光器和波长调制光谱技术的丙酮测量传感器,测量灵敏度达到0.12ppm。首次实现了在580 m的长光程吸收池下的高灵敏度中红外甲烷传感器,探测灵敏度为2 ppb。5.首次实现了基于双光梳光谱技术的丙酮和甲烷测量传感器,测量灵敏度分别为2 ppm 和 60 ppb。6.首次利用自主研发设计的基于光参量原理的人眼安全固体激光器和InGaAs APD单光子探测器,实现了 1.57 μm微脉冲气溶胶激光雷达系统,并进行了系统的远距离测量。7.首次将波长调制光谱技术用于远程测量试验中,实现了一套测量距离为3 km公里的甲烷测量系统,探测灵敏度为30 ppb。8.实现了基于中红外光学频率梳的甲烷测量传感器。分析并比较了系统在不同实验条件的误差。