随着超快测量技术的发展，对于快速动态过程的研究，已延伸到一些发生在微秒到纳秒时间尺度内的快速瞬态现象。光谱作为信息的一种表现形式，是动态过程研究的重要维度。相比于传统的光谱分析仪，时域光谱分析技术由于可以突破采集速度的限制，已成为研究快速动态过程的有力工具之一。其中，基于时域透镜聚焦机制的时域光谱分析技术，类似于空间透镜在焦平面的傅里叶变换，可在时域上得到待测的光谱信息，结合光电探测速率快的优势，其能够将快速动态光谱实时呈现，极大地提升了光谱的采集速度。
　　本论文详细分析了基于时域透镜聚焦的光谱分析仪，分别提出了高时域稳定性和大时域数值孔径的时域光谱分析仪且进行了实验验证，并将时域光谱分析技术应用于微球腔热光动力学的研究。本论文完成的研究工作总结如下：
　　(1)研究了时域光谱分析技术的理论基础。介绍了时空二相性的基本原理；分析了基于时域色散拉伸的光谱分析原理及理论模型；分析了基于时域透镜聚焦的光谱分析原理及理论模型；通过对比与时域色散拉伸的区别，分析了时域透镜聚焦光谱分析技术对待测信号范围及分辨率的提升。
　　(2)设计并实现了高时域稳定性的时域光谱分析仪。理论分析了时域透镜聚焦过程的稳定性机理以及时域不稳定性的来源：温度变化引起锁模光纤激光器的频漂和色散光纤的时间抖动，其导致了光谱测量精度的劣化。通过在锁模光纤激光器中引入锁相环技术以及对色散光纤的恒温控制，解决了时域光谱分析系统时域不稳定的问题，将测量光谱的绝对精度由1.6nm提升至0.04nm。
　　(3)设计并实现了大时域数值孔径的集成化时域光谱分析仪。理论分析了四波混频型时域透镜对非线性波导色散的要求，并对硅基波导进行了仿真设计和加工制备。随后，利用该硅基波导产生四波混频型时域透镜，构建起大时域数值孔径的集成化时域光谱分析仪，实现了2.5nm泵浦带宽范围内无失真的四波混频转换，并取得了1.4pm的光谱分辨率，以及21nm的光谱测量带宽。最后，针对电学分辨率限制了时域光谱分析仪分辨率的问题，提出了基于双光梳异步光采样的测量方案，将时间分辨率提升至2ps的泵浦脉宽极限，实现了1.4pm的光谱分辨率。
　　(4)将时域光谱分析技术与光学微球腔热光动力学研究相结合，通过时域光谱变化监测了光学微球腔的热光动态。在基于微球腔的激光器和滤波器应用中，非线性热光效应会导致微球腔的谐振波长发生漂移，引起激光器和滤波器工作波长的变化，而传统的传输谱线记录法不能实时地监测腔内热光动态变化。针对这一问题，提出了基于时域光谱分析技术监测微球腔热光动态的方案，并实验监测了不同泵浦光功率和扫频频率下微球腔的热光动态变化，揭示了毫秒量级时间内完整的热光动态过程。