连续波腔衰荡光谱技术 (CW-CRDS) 可以实现对痕量气体的高灵敏检测。基于 (CW-CRDS), 采用近红外分布反馈式二极管激光器 (DFB-DL) 和半导体光放大器 (SOA), 使用自主设计的高精细度 Fabry-Pérot 腔、激光驱动器、阈值检测电路, 实现了紧凑型气体分析装置的设计。其中 SOA 在放大激光功率、提升衰荡信号信噪比的同时, 还作为光开关, 用于触发衰荡事件。整个系统集成在一个 700 mm × 300 mm × 185 mm 的定制机箱中, 基于该装置测量了位于 6359.97 cm-1 处的 CO2 气体, 对空腔衰荡的时间序列分析结果显示系统的探测极限为 3.85×10-8 cm-1。

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术（NICE-OHMS）是目前世界上最灵敏的激光吸收光谱技术, 其在低压环境中具有极高的探测灵敏度。 然而当测量样品处于大气压时, NICE-OHMS系统的探测灵敏度会大幅下降。 主要原因之一是大气压下获取最大NICE-OHMS信号幅度的条件与低气压下不同。 通过对大气压NICE-OHMS理论进行分析, 分析了影响信号幅度的参数, 并通过数值模拟来寻找最佳的实验条件。 本文着重讨论影响信号的主要参数包括光学腔腔长L, 调制系数β, 探测相位θ。 其中, 由于在NICE-OHMS中使用DeVoe-Brewer技术将调制频率νｍ锁定到Fabry-Parot（FP）腔的自由光谱区（FSR）。 因此FP腔的腔长决定了νｍ, 同时还作用于信号幅度Ｓfm-no0。 模拟结果显示, 当腔长增大时, 由于νｍ随之减小, 载波和边带的光谱成分相互重叠部分增大, 因此线型函数的幅度逐渐减小。 而吸收信号幅度随着腔长的增加而逐渐增加, 色散信号幅度先增大后减小, 并且在腔长等于8 cm时达到最大值。 调制系数β会影响频率调制后激光载波和边带的幅度大小, 并且影响信号线型。 随着腔长的增加, 最大信号幅度对应的β值也随之增加。 在相同腔长下, 色散信号的最佳β值小于吸收信号, 更容易使用电光调制器实现。 最后分析了参数的可实现性, 分析了不同种类激光器的频率调谐能力, 压电陶瓷的扫描宽度等。 以乙炔气体为例, 大气压下NICE-OHMS的谱线半宽达到~3 GHz, 而光谱覆盖范围大于10 GHz。 分布反馈式半导体激光器（DFB）与外腔二极管激光器（ECDL）的频率调谐范围可以达到30 GHz以上, 但是由于激光线宽宽, 得到的PDH锁定性能欠佳。 回音壁模式激光器（WGM）和掺饵光纤激光器（EDFL）线宽为百Hz量级, 是目前高灵敏NICE-OHMS系统中常用的光源。 但是WGM目前可以实现了5 GHz的激光频率调谐范围, 而EDFL的外部电压可控制的调谐范围仅为3 GHz。 使用精细度为55 000的腔进行模拟, 调制系数β=1, 腔长大于8 cm时, 可使用WGM激光器实现, 腔长大于25 cm时, 可以使用EDFL激光器实现。 而对于在设计光学腔中常用的伸缩长度为25 μm的PZT, 随着腔长的增加, 对应的腔模频移范围逐渐减小, 在腔长为典型的40 cm时, 扫描范围大于12 GHz。

为了研究适用于描述正弦波扫描波长调制光谱中相对波长响应的方法, 提高正弦波扫描测量气体浓度的准确性, 对现有的描述激光器相对波长响应的方法进行了讨论。首先, 分析现有的几种描述激光器波长响应的方法是否适用于正弦波扫描。然后, 比较由不同方法模拟的相对波长响应和实测的激光器波长响应残差, 残差越小说明激光器波长响应越准确。最后, 用确定的准确快捷的方法测量二氧化碳气体浓度。实验结果表明, 由电流扫描波长响应（CSWR）直接确定相对波长响应（RWR）的方法描述激光器的波长响应更准确。将得到的相对波长响应与通过标准具实测的结果进行比较, 二者残差的标准偏差小于5×10-3 cm-1。利用该方法结合多光程池技术和免定标波长调制技术, 能够准确测量二氧化碳的气体浓度。

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)结合了频率调制光谱和腔增强吸收光谱两种技术,是目前探测灵敏度最高的激光吸收光谱技术。首先介绍NICE-OHMS技术的基本原理和实现过程,然后概括其发展现状,重点介绍各个课题组采用的激光源、腔的精细度等关键参数,及其对探测灵敏度的影响,最后提出限制NICE-OHMS技术探测灵敏度的主要因素及其解决方案。