为了探究飞秒激光成丝的内在机制以实现长度表征, 采用荧光法和声学法, 得到了不同入射激光脉冲能量下和偏振态下等离子体光丝的荧光光谱和声音信号信息。结果表明,在相同激光脉冲能量下圆偏振光产生的N2荧光信号强度约为线偏振光的2倍, 而线偏振光产生的N2+荧光信号强度则约为圆偏振光的1.3倍; 等离子体荧光测量是获取等离子体光丝长度的有效途径, 相比于声学测量法更精确。该研究为揭示相干激光发射随光丝长度变化的物理实质提供了光丝长度表征的可行方案。

为了实现光丝激光雷达系统的天基应用，开展了天基光丝雷达光谱仪光学系统设计，根据应用需求确定光谱仪光学系统构型主要由望远系统、狭缝、准直系统、平面光栅、成像系统构成；为了解决谱段宽可能引入的色差问题，光谱仪系统采用全反射结构设计；完成了光学系统与各项指标分析，通过设计可达到以下指标：光谱仪谱段范围为320~950 nm，光谱分辨率为2 nm，光谱仪最大色畸变为1.1 μm（即0.07 pixel），3个像元内的能量集中度大于96%，光学传递函数MTF在3.7 lp/mm下可达到0.99。所设计的光谱仪系统可用于星载大气成分高分辨率光谱探测。

为满足激光雷达收集系统对远距离荧光信号探测要求，提出了一种基于多软件协同循环优化各环带面形的非球面环带菲涅耳透镜设计方法，并进行了透镜面形误差分析及透镜样件性能测试。利用该方法设计了一个直径为300 mm、焦距为670 mm的高收集效率菲涅耳透镜，使用LightTools软件对设计的菲涅耳透镜进行了光学仿真，收集效率可达52.2%。仿真和实验结果均表明：在400~950 nm光谱范围内，设计的菲涅耳透镜减小了透镜球差和色差对收集系统的影响，具有较高的能量收集效率，提高了系统光能利用率，满足系统性能指标要求。

盐气溶胶是大气污染监测的重要对象。使用基于高功率超快激光的光丝诱导荧光光谱（FIFS）技术可以实现大气气溶胶的远距离快速定量分析，该技术有望成为下一代激光雷达的核心技术。用NaCl气溶胶模拟大气气溶胶污染物，针对自吸收效应导致光强与物质质量浓度偏离线性关系的问题，提出基于一维卷积神经网络的NaCl气溶胶质量浓度预测模型，并将其与多元线性回归模型、偏最小二乘回归模型、BP传播神经网络模型和定标曲线模型进行了对比实验。在各质量浓度（0.33~6.61 mg/m³）NaCl气溶胶全波段光谱数据集和特征波段光谱数据集上的实验结果表明：所提一维卷积神经网络模型在特征波段光谱数据集上的预测准确率为1，在泛化预测实验中的准确率为0.87，优于其在全波段光谱数据集上的结果，同时也优于其他模型。该模型对自吸收效应下的非线性定量分析具有良好的准确性和鲁棒性，为FIFS技术应用于大气气溶胶质量浓度预测分析提供了可靠的定量分析技术。

强飞秒激光在空气中传输时，其传输距离会远远超越衍射极限，产生高强度光丝和低密度等离子体，并伴随超连续白光的辐射，这为远距离遥感探测大气污染物提供了一种有效的技术途径。面向天基遥感应用，概述了强飞秒激光长距离传输的研究进展，包括光丝传输的基本研究方法、产生长距离光丝的方法、调控光丝特性的手段以及飞秒激光光丝超长距离的传输，并对光丝在大气遥感应用中的优越特性和需要解决的基础科学问题进行了总结。

高强度的飞秒激光在非线性介质成丝过程中会产生一系列非线性效应，如强场电离、转动拉曼、高次谐波、激射等，这些非线性效应与强场下分子的复杂运动有关。研究强场作用下的分子动力学问题将有助于更好地理解飞秒激光成丝过程中非线性效应背后的物理机制。综述了近年来飞秒激光在空气中成丝时主要分子动力学特性的研究进展，包括分子准直、分子电离、电子-离子复合以及分子能级的粒子数布居。最后对强场与分子相互作用研究所面临的机遇以及挑战进行了展望。

设计并制备了口径为20 mm的法布里-珀罗干涉仪，该干涉仪在632.8 nm处的光谱分辨率为0.5 nm，自由光谱范围为9.0 nm。将口径为1.1 m的低成本菲涅耳透镜用作集光元件，使用自行搭建的法布里-珀罗干涉仪和工业电荷耦合器件（CCD）相机成功探测到30 m外平均功率为0.7 mW的汞灯光谱，实现了μlx量级的弱光光谱探测。采用增强型互补金属氧化物半导体（ICMOS）相机，可在10 m外检测到飞秒激光光丝诱导的质量分数为13×10^-6的NaCl气溶胶的时间分辨荧光光谱。建立的基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的光谱测量装置在空气污染物和有害物质远程检测中具有广阔的应用前景。

探索了一种基于两束相向传播飞秒光丝诱导荧光的光谱检测方法。实验结果表明，该方法能够延长荧光衰减时间，增强物质特征谱线强度。将该方法应用于盐水溶液中金属离子（K⁺、Na⁺、Mg²⁺）特征峰及含量的检测，其对Na⁺含量的检测灵敏度为4.3×10^-6，较相同激发脉冲能量下的单丝诱导荧光检测技术提升了4倍，且具有良好的线性度。该方法有望为污染物检测提供新途径。

飞秒激光在高压放电、电场测量等领域中有广阔的应用前景，准确测量飞秒激光的相关电学参数是各领域中飞秒激光应用的前提。基于激光电学特性实验得到了光丝通道在恒定电场下的电流特征，通过电路仿真得出了实验电路的等效元件参数，并通过仿真结果与实验条件联立的方法逆推得出以下结论：对于飞秒激光经过辅助聚焦后形成的光丝，其在实验电路中的等效电阻随光丝传播距离的增加呈现先减小后增大的变化趋势。2.7 mJ飞秒激光光丝在通过5 m焦距透镜后，贯穿2.5 cm放电间隙。在这个过程中，当光丝传播距离为473.6~501.6 cm时，等效电阻为457.5~9122.5 kΩ。所提分析方法能够表征具体激光能量和聚焦距离下的飞秒激光光丝的电学特性，研究结果为飞秒激光在高电压领域中的应用提供了参数支持。

大气污染对人类的生产生活有极大影响，气溶胶作为污染物的重要部分，不容忽视。提高对大气气溶胶浓度检测的精确性，尤其是低浓度气溶胶，具有十分重要的意义。本文基于光丝诱导荧光光谱技术，对NaCl气溶胶数据进行预处理，并结合偏最小二乘法建立预测模型，探索不同预处理方法对模型检测精度的影响。讨论如何科学合理地选择预处理方法，按照预处理方法效果分为散射校正、平滑去噪、基线校正3个方面，并提出波峰显著度算法。通过无预处理、单一预处理以及组合预处理进行最优预处理方法的选择，并分析其建模精度的影响。实验结果表明，应用多个预处理方法的组合，与无预处理相比，均方根误差降低至0.03，预测相对误差减少60%；与直接观察光谱信号选择预处理方法相比，根据光谱信噪比的提升及预测组分的建模效果可以更为准确地选择最佳预处理方法。该研究为开展低浓度大气污染物的分析研究提供了一定的参考。