臭氧是地球大气中的最重要的气体成分之一。大气臭氧通常被区分为平流层臭氧和对流层臭氧。平流层臭氧作为地球生命的保护伞,其中高浓度的臭氧吸收了太阳光中的绝大部分的紫外线,以防止地球动植物等受到伤害。相比较于平流层臭氧对地球生物的保护作用不同,对流层臭氧是有害于人类身体健康以及植物生长的温室气体和污染物之一,甚至能破坏生态系统和影响全球气候变化。全球许多国家出现区域性对流层臭氧污染事件,其中中国的对流层臭氧污染问题也十分严重。随着城市经济快速发展,中国的大城市及其城市群区域比如京津冀地区、长三角地区等大气污染愈加严重,臭氧污染频发;高浓度的臭氧不仅会随着大气运动进行远距离的传输,还会随着大气环流由边界层输送到上方的自由对流层。所以为了研究对流层臭氧浓度时空分布规律和发展演变分析、控制排放,需要对其进行长期和区域性监测。差分吸收激光雷达作为主动式大气探测系统,可以快速在线获取大气污染气体浓度的时空分布特征,适用于对对流层臭氧的探测需求。为了监测区域的对流层臭氧的时空分布特征,并且分析其发展变化规律,需要在许多地理位置进行观测实验。所以需要一个无人值守的可靠系统,可以灵活地进行地基或者移动观测。该系统中研究核心之一就是稳定可靠的激光源,在国内外目前开展的差分吸收激光雷达相关研究中,研究人员通常将气体拉曼、染料激光器、还有光参量振荡(optical parametric oscillation,OPO)技术应用于雷达激光源系统中,但是光光转换效率、长时间运行稳定性、实际操作便利性、可维护性等仍有不足。在本文研究中,本文将介绍一种基于全固态免调谐激光源的紧凑可移动的臭氧差分吸收激光雷达,用于对流层臭氧时空分布的观测。本文提出了基于全固态免调谐激光源的臭氧差分吸收激光雷达系统总体设计方案,首次将固体拉曼技术应用于臭氧差分吸收激光雷达的发射光源系统中。本文详细研究了作为臭氧差分吸收激光雷达的关键技术的固体受激拉曼技术,阐述了臭氧差分吸收激光雷达光源需求,常见的固体拉曼介质和固体拉曼激光器种类,对适合本研究的固体拉曼介质以及以此为基础的拉曼激光器结构进行选择。采用了 SrWO4晶体以及基于此拉曼晶体而搭建的外腔式拉曼激光器结构,利用激光器速率方程对外腔式拉曼激光器分别对一、二阶Stokes光的单波长输出进行数值优化,模拟了泵浦光与产生一、二、三阶Stokes光的脉冲图,发现了 Stokes光具有的脉宽压缩效应;通过模拟计算得到,不同的归一化脉冲宽度和不同的归一化拉曼增益都有对应的最大转换效率和其对应的最优反射率,发现高拉曼增益的拉曼晶体、高的泵浦功率以及尺寸较长的拉曼晶体有利于目标Stokes光的高效率输出,但是为了抑制级联拉曼效应产生高阶次的Stokes光,这些参数需要根据理论计算值选择合适的数值,配合输出镜对目标输出的Stokes光的频谱分布控制,从而获取高的光光转换效率。本文搭建了一套外腔式拉曼激光器装置进行实验论证,分析了其输出的Stokes光束的光谱、脉冲宽度、光斑轮廓、输出功率特性等。分别得到了 3.3mJ的560nm的一阶Stokes光、2.9mJ的590nm的二阶Stokes光输出,光光转换效率达到了将近70%;证实了模拟中的脉宽压缩现象;测试时间内其功率稳定度都为0.6%,满足工程化使用需求。结果表明,此固体拉曼技术适合应用于臭氧差分吸收激光雷达光源系统中。因其全固态、免调谐等特点,在大大提高了激光雷达的稳定性的同时,也实现了紧凑型、可移动的优势,可进行无人值守地连续观测,减少了维护工作复杂性,使其灵活应用于地基观测或者移动观测。本文将固体拉曼技术应用于臭氧差分吸收激光雷达系统发射光源中,开展了地基观测论证实验,得到了 75m的空间分辨率以及1min的时间分辨率,可探测0.2-3km的对流层臭氧浓度时空分布。与基于气体拉曼技术的臭氧雷达的比较结果表明该雷达在空间和时间分辨率以及信噪比方面都有明显改善,说明其在固定平台上获取对流层臭氧浓度的时空分布数据的有效性。在此基础上,进行了车载臭氧雷达的验证实验,于2019年4月29日在合肥进行了首次走航实验,仪器各单元工作状况良好,得到了可靠的大气臭氧分布剖面数据。并且针对夏季臭氧污染功高发城市进行了走航观测实验,快速获取区域臭氧浓度分布剖面,说明了基于固体拉曼技术的臭氧差分吸收激光雷达的走航观测的可行性和可靠性。此外,论文还阐述了该臭氧差分吸收激光雷达的机载验证实验,也表明其搭载快速平台观测的有效性和可靠性。表明了固体拉曼激光光源具有很好的可靠性,抗震性能高,系统稳定性高等一系列优势。