激光雷达探测技术研究室将激光雷达的工程技术研发与激光大气探测的科学研究紧密相结合，在合肥建立了大气成分激光雷达综合观测站并开展了臭氧、二氧化硫、二氧化氮、大气气溶胶、云、温度和水汽等高垂直分辨率的长期观测研究。
L625激光雷达于1991年1月投入运行。菲律宾的Mt.Pinatubo火山在1991年5月15日爆发后，L625激光雷达受美国宇航局的邀请，与全球其它激光雷达一起投入了对Mt.Pinatubo火山云的探测。获得了从1991年至2003年的13年期间测量的各年平均的平流层气溶胶散射比垂直廓线，清晰地揭示了Mt.Pinatubo火山云从爆发、增长、衰变直至消亡全部过程的时空演变资料。
同时，L625激光雷达还使用差分吸收技术（DIAL），从1996年起对平流层臭氧浓度分布进行了长期系统的探测研究，获得1996年至2002年的7年期间，合肥地区对流层上部和平流层的各个高度区域臭氧数密度的季节变化特征。L625激光雷达还使用振动Raman散射技术对大气中的水汽混合比的垂直分布进行了系统的探测研究。
L300双波长米散射激光雷达自1997年以来对对流层气溶胶的光学性质进行了长期系统的探测研究。每年春季，起源于蒙古和我国西北部的亚洲沙尘暴粒子（Asian dust）有时会伴随冷空气的南下侵入合肥地区上空。通过长期观测获得了不同类型的沙尘气溶胶粒子消光系数垂直廓线。利用该台激光雷达还对卷云的光学性质和结构进行了系统的探测研究。
2006年4月28日美国国家航天航空管理局（NASA）成功地发射了探测全球大气气溶胶和云的星载双波长米散射偏振激光雷达（CALIOP）。激光雷达探测技术研究室研制的双波长米散射激光雷达（DWL）被NASA选定为CALIOP的性能验证的地基激光雷达之一。已获得大量DWL激光雷达与CALIOP测量的532nm和1064nm波长大气气溶胶衰减后向散射系数垂直廓线。
车载式差分吸收激光雷达(AML)用于测量我国各个地区的对流层低层SO2、O3、NO2浓度和气溶胶的时空分布变化特征。纯转动Raman激光雷达、振动Raman激光雷达和Rayleigh激光雷达，分别用于对流层底部与中上部、平流层与中层的大气温度廓线的测量。综合采用这些激光雷达技术可以获得从地面至70km高度范围里的温度垂直分布廓线。
