随着同位素在考古学、地质学、环境科学、医学等诸多领域的应用不断深入和拓展,同位素的定量测量和分析显得日益重要,如何建立便捷、可靠、低成本的同位素测量方法已成为同位素应用中的重大课题。文中采用非线性光谱技术—四波混频(Four-wave mixing, FWM)光谱技术来测量和分析同位素。首先对FWM光谱技术的偏振特性、缀饰特性、分辨率、灵敏度等进行了深入的理论和实验研究,在此基础上测量和分析了铷(Rb)、铯(Cs)和钾(K)同位素,并探索了FWM光谱技术在文物产地鉴定中的应用。具体工作和主要创新成果如下：在87Rb同位素原子的梯形三能级系统中,借助电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency, EIT)效应实现了高分辨率和高效率的FWM光谱,并研究了该FWM的偏振状态和缀饰效应随着入射光偏振状态的变化特性。结果表明,当入射光均为线偏振时,FWM信号为线偏振,当其中任意一束光变为椭圆偏振时,FWM信号也相应地变为椭圆偏振。此外,随着耦合场或探测场的椭偏度增大,强耦合场对FWM信号的缀饰效应增强。本研究可以帮助人们理解FWM及缀饰效应的物理机制,并对提高FWM效率和分辨率具有指导意义。以133Cs同位素原子为非线性介质,理论结合实验研究了简并四波混频(Degenerate four-wave mixing, DFWM)的偏振特性和缀饰特性。通过改变一束泵浦光的偏振状态,研究了DFWM信号强度及其谱线轮廓的变化特性。结果表明,当泵浦光为圆偏振时DFWM信号强度最大,垂直线偏振时次之,水平线偏振时最小。实验结果与理论模拟非常一致。此外,在二能级系统中引入缀饰态理论,很好地解释了强泵浦光引起的DFWM光谱中的双峰现象及其随泵浦光偏振状态的变化。本研究为实际应用中如何提高DFWM效率,认识光谱和避免谱线畸变提供了有用的参考。以Rb原子蒸汽为样品,研究了DFWM光谱技术应用于同位素定量测量中的几个基本问题。首先比较了前向与相位共轭两种相位匹配的DFWM光谱技术的分辨率和效率结果表明,相位共轭DFWM具有较高分辨率,而前向DFWM具有较高效率,且其信噪比与稳定性更好。其次,研究了泵浦光功率对DFWM信号的影响特性。研究发现,当泵浦光功率在大于5mW后,信号强度出现饱和,大于37.3mW后,信号会出现劈裂。此外,还研究了介质的共振吸收对DFWM信号的影响特性。结果表明,介质的吸收会降低DFWM信号,并使得同位素定量测量变得复杂,因此在保证信噪比的前提下应该尽量降低样品的浓度,减少共振吸收。最后,给出了DFWM定量测量同位素丰度比值的原理,并测量了Rb原子蒸汽中的Rb同位素丰度比值,所得结果与原子吸收光谱技术得到的结果一致,证明了DFWM用于同位素丰度比值测量中的可行性。在石墨炉原子化器中,分别测量和分析了氯化铷(RbCl)、氯化铯(CsCl)和氯化钾(KCl)中的Rb、Cs和K同位素,以及几个文物样品中的Rb同位素。确定了DFWM测量Cs、K和Rb的检出限,分别为0.63pg/mL、0.325fg/mL和18.51fg/mL,这样低的检出限说明了DFWM应用于同位素痕量分析中的潜在价值。此外,采用DFWM测量得到RbCl中的Rb同位素丰度比值为2.649±0.002,这与采用ICP-MS所得结果(2.67±0.02)非常接近,证明了DFWM光谱技术用于化合物中同位素丰度比值测量中的可行性。最后,采用DFWM光谱技术测量了几个陶俑样品中的Rb同位素丰度比值,基于此推断出了这些样品的产地信息,说明DFWM在考古学中具有潜在的应用价值。