碳纳米管-聚二甲基硅氧烷(CNT-PDMS)是一种新型的激光超声换能器(LIU-T)复合材料, 具有高频率、 宽带宽、 高振幅的特性。 该复合薄膜可作为高效、 鲁棒的超声发射器用于诊断和治疗。 纳米复合材料的固有结构提供了独特的热、 光学和机械性能, 这不仅有利于能量转换, 而且对脉冲激光烧蚀具有很好的鲁棒性。 PDMS聚合物具有高热弹性系数有利于材料的伸缩从而产生超声。 研究了几种不同复合薄膜产生的光声信号特性, 测试了不同衬底和水介质条件下的光声信号特性。 利用碳纳米材料的高吸光性和PDMS聚合物的高膨胀性制作激光超声换能器, 不但降低了材料的厚度, 还有望产生高频高强度超声信号。 实验用硬玻璃衬底厚度约为1 mm, 软薄膜衬底厚度在微米级, 水介质条件下的厚度为3 mm。 在脉冲激光激励下, 水介质下软薄膜条件、 硬玻璃衬底、 软薄膜衬底涂层端面超声压力分别为2.0, 3.9和5.2 MPa。 通过一系列的研究得出了结论: (1)软薄膜衬底(3×3)比硬玻璃衬底(3×3)更具有良好的负脉冲, 更适合用在光声空化治疗方面； (2)水介质条件下不利于产生高强度光声信号。 总而言之, 采用激光超声换能器比压电换能器更具有产生高振福, 带宽宽的超声信号的潜力, 而且提供了一种没有电子等干扰结构的超声激励新方法, 有望成为替代压电换能器的新一代激光超声换能器。 这种新方法应用在磁声电成像领域可以大大减少超声激励源的干扰。 同时, 相对于将CNT混入PDMS中的方法, 该方法更具有简单方便节省材料等优点。 对于硬玻璃传统型衬底, 实现的软薄膜衬底能产生较高的声压5.2 MPa, 并且中心频率在5 MHz, -6 dB超声带宽也相对较宽接近5 MHz, 相比于早在2014年实现的CNT-PDMS激光超声换能器产生的4.5 MPa声压, 本文方法更具有临床应用前景, 应用在磁声电成像等方面具有很好的避免电磁干扰效果。

生物组织的电学特征对肿瘤的早期诊断具有重要意义。通过测量样品的洛伦兹力效应, 磁声电成像可以检测到生物组织电导率的变化, 从而实现肿瘤组织的早期诊断。现有的磁声电成像采用传统的压电超声换能器产生超声激励, 为了避免静磁场对超声激励系统的干扰, 这种方法要求压电超声换能器必须远离被测样品, 从而导致超声探头和被测样品间存在较大的超声传播距离, 不利于在临床中进一步研究。首先设计了基于光声热弹效应的激光诱导超声换能器, 这种光学超声换能器采用优化的炭黑和聚二甲基硅氧烷复合结构, 减小了复合膜厚度, 有望产生高频和高强度超声信号; 然后对优化的复合膜激光诱导超声换能器的超声特性进行分析, 并利用激光诱导超声换能器进行磁声电成像实验。结果表明：激光诱导超声换能器产生的超声信号具有与压电换能器产生的超声信号可比的压强幅度和超声带宽, -6 dB超声带宽接近7.5 MHz, 产生的超声强度达到2.5 MPa; 在磁场环境中, 激光诱导超声换能器能提供一种无电子结构的超声激励方式, 有效减小了磁声电成像中超声激励源的电磁干扰, 具有良好的电磁兼容特性。

提出了一种基于飞行器频域辨识模型的模型参数摄动分析方法。该方法通过将克莱姆-拉奥定理与频域辨识方法相结合对辨识模型参数的摄动范围估计算法进行了分析及证明。同时运用摄动范围计算过程中的相关指标对模型结构进行了优化，解决了飞行器模型辨识过程中模型阶次较难确定的问题。通过对辨识模型的摄动分析及模型结构优化使得模型能更准确地对系统进行描述。根据一种小型无人直升机悬停状态下的偏航通道飞行实验数据，利用该方法对其频域辨识模型参数摄动进行了分析并对其模型结构进行了优化，理论分析结果与统计结果的比较表明理论与实验方法效果一致，模型时域预测输出与实际输出的比较验证了摄动分析方法的可行性及有效性。

天然气泄漏直接导致能源浪费和环境污染,造成重大经济损失。以可调谐半导体激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法具有精度高、选择性强、响应速度快以及远距离遥测等优点,使其成为天然气站场以及天然气输运管道在线监测的理想方法。可调谐半导体激光吸收光谱与谐波探测相结合,设计了一套开放式长光程的用于天然气泄漏监测的实验系统。它以中心波长为1.65μm的分布式反馈InGaAS激光器为光源,利用实心角反射器,在发射端以菲涅耳透镜为光学接收系统,把反射回来的光聚焦到InGaAs探测器。同时,在测量过程中,考虑到光强变化对浓度的影响,并通过归一化光强的方法进行消除,使光强波动引起的误差小于1%。在320 m的光程下模拟管道泄漏实验,系统的检测灵敏度为0.1(10－6体积比),根据光学系统收光效率以及探测器的可探测性能进行分析的最小光强,计算得到该系统可探测的光程可达2000m,证明完全满足天然气泄漏检测的需求。

二氧化碳(CO₂)作为最主要的温室气体,引发的气候变化和生态环境问题已经成为世界关注的焦点,因此在线监测环境大气中CO 2浓度,分析生态系统的CO 2通量是重要任务。将可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术与开放式长光程技术相结合设计了大范围CO₂监测仪,系统选择CO₂在近红外1.57 μm附近的吸收线,以30 s的时间分辨率对城郊大气CO₂浓度进行了连续测量,得出日变化和连续监测结果。结果表明在无污染排放源的城市郊区,大气中的CO 2具有明显的日变化周期性,基本特点是白天浓度低,夜间浓度高。监测仪不需要气体采样、具有高灵敏度、高分辨性、可快速在线监测、调校简单等优点,检测限可以达到4.2×10^-7。为生态系统中的温室气体大范围通量监测提供了有效的方法。

研制了一套基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的开放式长光程甲烷(CH4)浓度实时监测系统, 系统采用波长调制和二次谐波探测相结合, 并利用光强归一化的方法消除光强波动对测量结果产生的影响, 实验证明采用消除光强波动的方法后使测量结果的误差小于2%。然后利用该系统在往返750 m的光程上, 对合肥市董铺岛进行了为期1周的大气CH4浓度测量, 测量结果表明董铺岛CH4浓度有明显的日变化趋势, 白天浓度低, 夜间浓度高, 日平均浓度(1.8～3.4)×10-6, 日最小值(1.8～2.2)×10-6, 日最大值(3.0～3.4)×10-6。通过分析, 可实现1～2 km范围的空气中CH4浓度的实时在线监测, 为生态系统的区域排放通量监测提供了有效的方法, 也为卫星遥感提供了可行的地面校准方法。

室温工作的连续可调谐相干光源在痕量气体检测技术中有着重要的应用价值，非线性差频方法是获得室温工作的中红外相干光源的有效途径，是对传统激光光源的重要补充。报道了一种基于差频方法的室温工作宽调谐中红外激光光谱系统，使用两台近红外半导体激光器作为种子光源，采用PPLN晶体作为非线性混频器件，结合准相位匹配技术实现了3．2～3．7 μm中红外相干光源输出，最大差频输出功率约为1 μW。对CH4基频吸收谱线的光谱检测表明，系统能够满足在中红外光谱区对气体成分进行高分辨、高灵敏、快速吸收检测的需要。

报道了最近研制的一种基于差频方法实现的室温工作宽调谐中红外激光光谱系统，使用波长范围分别为1490～1580nm和1058．1～1060．8nm的两台近红外半导体激光器分别作为信号和种子光源，采用PPLN晶体作为非线性混频器件，结合准相位匹配技术实现了3．2～3．7μm连续相干光输出。针对该系统的输出带宽特性进行实验研究和分析，并与理论研究的结果进行了比较和讨论。

研究了可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在煤矿多点瓦斯监测中的应用。分析讨论了基于光谱吸收原理的多点瓦斯实时监测系统的设计方案，TDLAS技术、分布式光纤传感技术和时分复用的信号检测技术相结合，实现多点气体浓度的光学传感。提出了在光路中嵌入标定池的方法来反演浓度。通过不同浓度的瓦斯气体对系统性能进行了测试，检测限低于60×10^－6。研究表明系统方案可行，该技术具有实时、连续、非接触快速检测的特点，能够满足矿井瓦斯多点安全监测要求。

随着社会的发展，对基于激光光谱技术的快速、灵敏和选择性气体探测的需求日益增加，量子级联(QC)激光器特有的高输出功率、宽调谐范围和能够在室温或者接近室温下工作的特性使它成为气体遥测的理想光源。详细描述了QC激光器，介绍了基于室温脉冲QC－DFB激光器的典型的中红外激光光谱实验装置，并探讨了QC激光器应用于气体检测的广阔前景。