拉曼光谱技术在液体检测方面具有诸多优点, 如多组分同时探测、 非接触、 检测周期短、 分子指纹特性等, 已成功用于多个领域的样品分析, 但是较低的探测灵敏度制约了该技术的进一步发展。 为了提高液体样品拉曼光谱探测灵敏度, 文章报道了一种基于新型液体样品池的拉曼光谱增强方法。 该方法在传统比色皿底端加入一个凹面反射镜, 一方面可以使作用于样品后的激光再次反射聚焦重新作用于样品, 另一方面凹面反射镜可以使拉曼光谱探测装置同时收集前向与后向拉曼散射信号, 相较于传统拉曼光谱技术该方法可提高液体拉曼探测灵敏度。 首先理论分析了影响拉曼散射强度的因素以及在非偏振光激发下拉曼散射信号强度与收集角度之间的关系, 得出结论: 当收集角度相较于光源传播方向为前向或后向时(即0°或180°)拉曼散射强度最大, 为样品池的设计提供理论基础。 进一步设计并制作了一种新型样品池, 采用UV胶将镀银凹面反射镜(直径12.5 mm, 焦距10 mm)与石英管(外径12 mm, 壁厚1 mm, 长度30 mm)粘合形成新型液体样品池。 为了验证新型样品池的效果, 搭建了785 nm拉曼探头装置并开展了相关实验研究, 对三种典型的液体样品(75%乙醇、 异丙醇、 甲醇)进行探测并与传统比色皿的探测效果进行对比, 结果表明: 新型样品池对不同液体样品探测灵敏度均有明显的增强, 增强因子近4倍。 为了分析新型样品池制作方法的重复性, 制作了3个样品池, 实验对比了三个样品池的探测效果, 并对其结果进行分析。 为了验证该方法对低浓度样品的探测能力, 对稀释20倍的75%乙醇溶液进行探测, 利用新型样品池可获得样品的拉曼光谱信息, 而传统拉曼光谱技术无法获得有效的拉曼信号。 上述结果表明报道的新型样品池具有结构简单、 适用范围广的优点, 且可有效提高液体拉曼光谱探测灵敏度。

二氧化碳(CO2)是植物光合作用的原材料, 也是一种温室气体, 其过量地排放会影响动植物的生态环境。 在碳达峰、 碳中和的背景下, 研制高灵敏度的CO2检测装置具有重要意义。 为了监测大气环境中CO2含量的变化, 设计了一种长光程共振式CO2气体光声传感器, 并以此搭建了光声检测装置。 以中心波长为2 004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源, 激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔, 在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。 吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹, 降低由池体吸收光能后产生的热噪声。 吸收腔上耦合一根声学管, 当其工作在一阶纵向共振模态时, 光声信号被放大, 在管子末端达到极大值。 为了进一步增大光声信号, 通过饱和加湿样品的方式来加快CO2气体的弛豫速率, 加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。 使用一系列浓度的湿润CO2样品标定光声检测装置, 结果表明, 光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。 在此基础上, 通过对标准气体的检测实验, 验证了装置的准确性与稳定性。 利用Allan方差评估装置在长时间工作下的检测灵敏度, 当平均时间为865 s时, 检测灵敏度为0.35×10-6。 与传统T型光声池相比, 光程增加了约20倍, 光声信号提升了约6倍。 使用装置对室外环境中的CO2进行了共10 h的检测, 得到室外CO2的平均浓度约为381×10-6。 综上所述, 由于长光程、 声共振以及加湿样品的有机结合, 有效地增大了CO2的光声信号, 为气体光声传感器以及检测装置的设计提供了相关参考。

紫外拉曼光谱技术相较于传统拉曼光谱技术，具有灵敏度高、日盲性、人眼安全性高等优点，被应用于多个领域。采用266 nm紫外激光器作为光源，拉曼和荧光光谱可能存在部分重叠，进而影响拉曼光谱特征的准确获取。针对此问题，联合形态学和多项式拟合算法对紫外拉曼的荧光背景进行扣除，该方法融合形态学较好地保留光谱特征、多项式拟合方法简单有效的优点，实现对紫外拉曼光谱中荧光背景的准确扣除。为了验证方法的有效性，采用该方法对4种不同类型背景的仿真光谱进行基线校正，并与传统方法进行对比。结果表明：相较于现有基线校正算法，该方法在准确率方面优势明显，获得更好的基线校正效果。进一步地，采用该算法对紫外拉曼光谱装置获得的不同衬底硝酸钾样品的实测光谱进行基线校正，结果表明该方法对于不同类型的衬底背景均可获得纯净的拉曼光谱，这为下一步的样品分析提供了更准确的光谱信息。

光声光谱技术具有灵敏度高、选择性好等优点，在气体检测领域中扮演着重要的角色。为了在不增加装置体积与反射镜的情况下提高光声检测性能，基于共振式光声技术，研制了一种T型光声池，该结构由内壁镀金的吸收池和声共振管组成。池体两端使用镀金盖板代替传统的窗片，光纤准直器嵌在盖板上使光束在吸收池内多次反射以增加样品气体的等效吸收路径。经数学建模、理论推导、有限元仿真和实验分析，验证了所提方式对检测性能的提高。与传统的激发方式相比，在锁相积分时间为1 s，单次检测时间为5 s的条件下，所提方式的信噪比提升了14.6倍。以此为基础，搭建了CO₂光声检测装置。实验结果表明，所设计的装置对于CO₂样品的最低检测限为15×10^-6，归一化噪声等效吸收系数为11.9×10^-9 cm^-1·W·Hz^-1/2。

介绍了一种基于反谐振空芯光纤的甲烷气体检测装置，该装置选用中心波长为1653 nm的分布式反馈激光器结合1.8 m长的反谐振空芯光纤，采用可调谐二极管激光吸收光谱与波长调制光谱相结合的技术对甲烷气体进行实时测量。利用陶瓷插芯和陶瓷套管光纤耦合器件实现空芯光纤与单模光纤的稳定对接耦合，搭建了无透镜式全光纤气体检测装置，并对不同浓度梯度的甲烷气体展开实验。结果表明，二次谐波信号峰峰值与气体浓度之间呈良好的线性关系，线性相关系数为R²=0.997。由波长调制技术反演得到的甲烷气体的体积分数精度为0.918×10-6，相对精度为1.3%。通过Allan方差评估系统的稳定性，当平均时间为66.8 s时，装置的最低探测灵敏度为13×10-9。

基于光声光谱技术，利用有限元分析方法构建了H型差分光声池的仿真模型，并优化了池体的几何参数。在保证对噪声鲁棒性的同时，明显增大了池内声压与品质因子。将NO₂作为目标气体验证光声池的性能，使用低成本的450 nm激光二极管作为激发光源，以匹配NO₂较强的吸收谱线并避免光解。实验结果表明，光声池差分特性的检测结果与仿真结果具有一致性。在5 s的检测时间内，光声信号与不同样品体积分数之间的线性度达到了0.999，最低检测限为124×10^-12，满足大气环境中NO₂的在线检测需求。

气体检测在众多领域发挥着重要作用。光声光谱技术具有高灵敏度、响应快速等优点，广泛满足各种气体检测需求。基于光声光谱技术，以中心波长为4300 nm的中红外LED替代激光器作为二氧化碳气体的激发光源。结合长光程与声共振技术，研制了一种T型光声池，其吸收池内壁镀金，池体上耦合了一根声共振管。利用有限元仿真得到了光声池的一阶纵向共振模态及共振频率。为了实现LED光源的调制输出，设计了硬件驱动电路。基于上述工作，搭建了一套自动化流程的二氧化碳气体光声检测装置。实验结果表明，光声信号与样品浓度之间具有良好的线性度，噪声等效浓度（体积分数）为1.24×10^-4。使用Allan偏差评估装置的稳定性，当平均时间为200 s时，装置的检测灵敏度为1.8×10^-5。

为实现用单色发光二极管(LED)合成所需要的各种目标光谱,提出将自适应差分进化算法作为光谱匹配算法。以高斯修正模型表征单色LED的分布,基于均匀分布的LED,模拟了标准AM1.5太阳光谱和植被光谱,并采用相关指数和均方根误差作为评价标准。在此基础上,利用实验室现有的LED进行了实验验证,所提算法的拟合效果均比模拟退火算法和遗传算法好。实验结果表明,提出的自适应差分进化算法可自动设置参数,拟合效果好,可以被广泛应用于各种LED光谱匹配仿真实验和工程实践中。

为解决气体红外光谱识别问题,引入提升算法中较新的研究成果——极端梯度提升(XGBoost)算法。选用实测的三氯甲烷、对二甲苯、四氯乙烯气体的红外光谱数据进行实验。首先在对原始数据进行预处理后,通过特征工程提取光谱特征,生成特征向量;然后建立XGBoost模型,并对模型参数进行调优;最后基于分类准确率指标,将所提模型与随机森林(RF)、支持向量机(SVM)、前馈神经网络(FNN)、卷积神经网络(CNN)模型进行对比。实验结果表明,XGBoost在气体红外光谱识别领域有着广阔的应用前景。