人体呼出气包含氮气、氧气、二氧化碳等多种气体,其中很多气体可以作为各种疾病的相关标志物,通过测定特征呼出气体的组分及含量可以对多种疾病进行无创诊断。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)法由于具有灵敏度高、选择性好、响应速度快的优点,是一种常用的痕量气体光学检测技术。综述了基于TDLAS法检测痕量气体的原理,包括TDLAS技术种类、光源及多光程腔的选择等,并介绍了其在几种常见的呼出气检测中的应用进展。

Natural logarithm wavelength modulation spectroscopy (ln-WMS) is demonstrated in this Letter. Unlike the conventional wavelength modulation spectroscopy (WMS)-2f technique, it is a linear method even for large absorbance, which is the core advantage of ln-WMS. The treating method used in ln-WMS is to take the natural logarithm of the transmitted intensity. In order to determine the proper demodulation phase, the η-seeking algorithm is introduced, which minimizes the absolute value of the first harmonic within the non-absorbing region. Subsequently, the second harmonic of the absorption signal is extracted by setting the demodulating phase as 2η. To illustrate the validity of ln-WMS, it was applied to water vapor experimentally. The result shows that even if the absorbance (base-e) is between 1.60 and 6.26, the linearity between ln-WMS-2f and volume fraction is still established. For comparison, measurement with conventional WMS-2f was also done, whose response no longer kept linearity. The η values retrieved in continuous measurements and the residuals were shown so as to evaluate the performance of the η-seeking algorithm. Time consumed by this algorithm was roughly 0.28 s per measurement. As an alternative WMS strategy, ln-WMS has a wide range of potential applications, especially where the absorbance is large or varies over a wide area.

高能激光功率高、能量大, 造成激光能量计容易损坏和测量不确定度增加。围绕上述问题对国内外现有的几种高能激光能量直接测量方法进行了比较和归纳, 对各种技术的优点和缺点作了深入的分析, 在此基础上阐述了高能激光能量直接测量技术的发展趋势。研究表明, 提高热交换效率是提升高能激光能量计测量能力最高效的措施, 尤其是在采用体吸收模式和强制热交换模式的情况下这种效果更加明显; 消除吸收体上温度梯度对吸收体材料比热和温度传感器响应时间的影响是提高被动吸收型高能激光能量计测量准确度的关键, 在水流冷却型高能激光能量计和水流直接吸收型高能激光能量计中消除水流相变的影响和控制水流温度场不均匀造成的影响则是保证温度准确测量的关键。目前各种高热交换效率和新体制的测量方法得到快速发展和应用, 系统的测量能力和测量准确度大幅提高, 为了适应未来长时间测量需求, 能量累积型高能激光能量计逐渐被功率平衡型高能激光能量计所替代。

差分吸收光谱法(DOAS)是基于朗伯比尔定律的光谱法测量气体的重要方法, 按此原理建立的测量系统是测量痕量气体的主要方法。 用于测量痕量气体的DOAS系统的关键是其检出限的校准, 传统的方法是使用标准气体进行校准。 但是由于标准气体自身的量值确定问题, 在ppb甚至ppt级的不确定度大于10%, 而一般的ppt级的DOAS测量系统本身的不确定度也会高于标准气体, 导致传统方法失效。 提出一种基于光谱密度的DOAS系统校准方法, 利用朗伯比尔定律将DOAS系统的检出限和光谱密度建立关系。 由于光谱密度作为光学量值可以测量到10-6甚至更高, 所以通过该方法可以实现DOAS系统在ppb乃至ppt级的校准。 本方法需要根据待校准的测量系统光学结构的基本参数计算其总的标准光学密度值, 然后把标准光学密度片放入测量系统光程中, 测得其光学密度值, 根据前后两次光学密度计算测量系统的测量偏差, 进而分析计算测量系统的标准不确定度和标定的扩展不确定度, 所得到的标定的扩展不确定度即为测量系统的检出限。 该方法完全基于光学测量, 不需引入标准气体评估, 基于光学密度的精密测量和测量系统光学结构的装调误差, 实现测量系统在较小不确定度水平上的标定, 提高检出限标定的精度。 本方法在开放光程式的DOAS系统上进行了实验验证。

在高能激光能量计吸收体上很长时间内均存在较大的温度梯度，这导致吸收体真实温度的测量非常困难，材料的比热、传感器的响应度和吸收体的热损失对测量准确度的影响较显著，模拟了吸收体上温度场特性，提出了一种利用多个分立的热电偶传感器测量吸收体的温升的方法，通过对热电偶的间距以及在吸收体中的深度加以控制，可以准确地反映吸收体上每一小部分的平均温度，从而达到对比热和传感器响应度修正的目的；采取措施大幅降低热损失比例，并结合实际温度场分布和系统热平衡时间对热损失可以获得热损失占比；利用光线追迹方法可以大幅简化吸收体吸收率研究，以实际光束和吸收腔参数为模拟对象计算了吸收腔的吸收率，并对测量结果进行修正。在分析了系统各个环节的测量不确定度的基础上估算出设计的激光能量计的测量不确定度约为5.8％(k=2)，采用现场比对方法验证该测量不确定度的合理性。

提出了一种利用电加热丝作为校准源的高能激光能量计校准方法,将水流从吸收腔前端导入至加热容器,在加热后流入吸收腔。通过精确计量水流吸收的热能并与能量计测量结果进行比较,达到对高能激光能量计校准的目的。研究表明校准系统的热交换模型与吸收腔内的热交换模型一致,均经历了储能和功率平衡两个阶段。水流及相变气体的散射效应对测量结果的影响较小,经过修正后可以忽略其影响。通过深入分析各个环节的测量不确定度表明,残留能量和流量变化对测量不确定度的影响最显著,增加水箱的容积可以有效降低残留能量对测量不确定度的影响。在对各个环节的影响修正后估算出系统的测量不确定度约为4.8％(k=2),被校高能激光能量计校准后的测量结果与其他类型的参考高能激光能量计进行比对,两者具有很好的一致性,修正因子仅为1.006,标准偏差为1.4%。

氧碘高能激光近场存在较多的杂散光，这些光会严重影响光束传输和光束质量控制。通过对杂散光的产生机理、类型和传输规律的分析和模拟确定了不同类型杂散光的测量方法。利用两个能量计测量了30 m通道自由传输时的传输效率，利用测试光阑获得了通道内杂散光角谱曲线和镜面散射光能量。实验表明30 m通道自由传输时的能量损失约为5.2%，杂散光的角谱随着传输距离的增加逐渐增大，角谱也会随着光束质量的恶化显著增加。利用角谱曲线可以获得通道内任意位置处光阑上的热负荷，这为高能激光热管理技术奠定了坚实的基础。

在正交偏振光谱（OPS）微循环成像系统的基础上, 提出了通过改变信号光的偏振态来实现成像深度的选择。 传统的OPS系统利用的是正交线偏振光, 只能获得图像在某一断层的二维信息, 但作者通过控制系统起、 检偏单元椭圆偏振光的椭圆度, 可以在不进行机械扫描的情况下将成像光束聚焦在不同的断层, 从而获得不同深度处的组织信息。 构建的变偏振光谱成像系统将光源发射光谱与红血球吸收光谱相匹配, 可以实现微血管的探测, 且具有较高的信噪比。 对一块含标记物的猪肉脂肪进行实验, 并通过图像处理得到了对比度与信号光偏振态间的定量关系。 实验结果表明: 椭圆度由0°～45°增大, 即从线偏振光向圆偏振光转变的过程中, 对比度逐渐增大, 可探测到的最大深度增大。 最后利用该系统, 对裸鼠耳廓微血管进行了变偏振光谱测量实验, 实验证明了控制偏振态可以实现对血管不同深度的探测, 为微血管断层光谱成像提供了一种新的研究手段。

设计并实现了一种对正交信号进行高速相位检测的FPGA电路，并将其成功应用于 自制单频激光干涉测长系统中。该电路主要采用CORDIC算法并使用流水线结构，同时为了矫正 实际测量时正交信号存在的畸变，增加了信号修正处理部分。仿真和实验结果表明该电路稳定可 靠，满足高速、高精度相位检测的需求。

差分光学吸收光谱学技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy，DOAS)是近年来发展起来的一种实时检测大气中痕量气体浓度的有效方法，它采用线性最小二乘拟合方法，用痕量气体标准差分吸收截面对测量得到的差分吸收光谱进行拟合，得出大气中痕量气体的浓度。通过介绍DOAS方法的测量原理，在线监测系统的构成，气体浓度的反演方法，测量结果及讨论等内容，说明它在空气质量监测方面的优越性。