调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高分辨率、 高灵敏度和快速测量等优点在工业生产、 环境污染监测等方面受到广泛应用。 波长调制光谱(wavelength modulation spectrum, WMS)的二次谐波信号经常用作气体浓度反演的检测信号。 TDLAS检测性能与系统参数, 如锁相放大器的时间常数、 扫描幅度、 扫描频率、 调制幅度、 调制频率等的选取紧密相关, 实际测量中各参数的选择多以谱线形态特征为依据, 参数之间的关联性未能得到较好体现。 由于信号的采样与处理均在频域对谱线产生作用, 各参数之间的作用相互关联。 然而很少有研究参数对谱线频域的影响, 针对此问题, 在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响。 通过保持其他参数不变, 只改变一个参数的方法, 得出各个参数对信号线型、 频率特征及噪声引入的影响规律, 继而分析并验证了多参数联合变化对谱线频带的决定作用。 与基于时域特征的传统方法相比, 基于谱线频率特征分析一方面具有与谱线信号采集检测处理机理相近的优点, 另一方面可以直观得到各参数对主频带的影响和不同频率信号的衰减趋势。 总结出基于频率特征的各参数的基本选取方法, 以谱线频带和截止频率相互关系为判定标准, 截止频率的大小由锁相放大器时间常数决定。 通过设置合适的时间常数和扫描参数使信号频带与截止频率相近但不相交, 使谱线频带内频率分量不产生衰减, 频带外噪声得到最大抑制; 再根据锁相放大器的性能和信号信噪比来确定调制参数, 使谱线主频幅度最大; 最后根据系统需求确定采样率。 单周期采样点不变时, 低扫描频率时检测精度相对提高但耗时较长; 反之, 扫描频率提高, 速度变快但检测精度下降。 通过联合影响规律调整关**数, 减小硬件限制对参数最优值选取造成的影响。 可在考虑系统检测需求与硬件条件限制的前提下, 通过参数选择得到最优二次谐波信号, 为此技术的实际应用提供了参数优化的实验依据与参考方法。

近年来，激光吸收光谱技术取得了巨大进步，应用领域不断拓展。在气体检测中，激光吸收光谱技术已实现了近百种气体的定性或定量测量，并以气体分子为测量对象，可实现温度、流速、压力等参量的同时非接触测量。激光吸收光谱气体检测涉及到安全监测、工业流程优化控制、废气源排放监测、环境中痕量有毒/有害/易燃/易爆成分探测、呼吸气体分析及某些疾病的早期诊断与筛查、化学反应过程测量与诊断、发动机燃烧诊断、超声速风洞测量、深海溶解气体探测、火山状态探测、星际生命探测等领域。随着全球环境、生态以及能源问题的日益加剧，激光吸收光谱气体检测技术受到了空前关注。

带间级联激光器(ICL)是近年来发展起来的高性能中红外光源, 覆盖中红外3~6 μm谱段。其具有电光效率高、阈值电流低、可室温连续工作等优点, 是痕量气体检测领域最具吸引力的半导体激光器之一。分析了中红外指纹吸收光谱的特征, 简述了带间级联激光器的发展、工作原理和特性, 综述了基于中红外宽带吸收光谱的高灵敏、特异性检测技术的发展, 并对今后发展做了讨论和展望。

氨气是主要恶臭物质之一,为了实现工业环境污染源中氨气排放的连续监测,研制了中红外激光气体传感器,与传统近红外氨气传感器受干扰气 体影响较大不同的是,该传感器采用中红外分布反馈结构的带间级联激光器(distributed feedback inter-band cascade laser, DFB-ICL)为光源, 工作波长在3 μm附近,避免了水和CO2干扰气体的影响,同时以空芯光波导(芯径1 mm、长度5 m)做气体池,采用自制多通道数字锁相放大器, 同时解调1f和2f谐波信号,实现免校准测量,获得了传感器的梯度实验结果,线性度高达0.99917,不确定度高达0.9%。Allan方差评价结果显示其 稳定性非常出色,在最佳积分时间167 s时,本传感器的检测限低至9.7 ppb。

空芯光波导(HWG)用于光谱气体检测中, 既可以实现光路的传输, 又可以充当气体样品池实现长光程高灵敏度测量, 具有体积小, 响应时间快、 成本低、 光路稳定灵活等优点。 介绍了基于镀银/碘化银的空芯光波导(Ag/AgI-HWG)、 光子带隙空芯光波导(PBG-HWG)和基片集成空芯光波导(iHWG)等类型的空芯光波导, 并总结了近年来空芯光波导在光谱气敏检测中的研究及进展, 梳理了其应用方式及应用领域。 研究表明, 空芯光波导替代传统的气体池与傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 激光吸收光谱和拉曼光谱等不同的光谱技术结合已取得一系列成果, 且已经应用于环境监测、 呼气诊断和工业过程检测和控制等领域。 其中, 基于中红外激光吸收光谱的空芯光波导传感器组成相对简单, 成本较低, 与各类光波导的兼容性和环境适应性较强, 发展前景较好。 总之, 随着激光技术、 光波导技术和光谱技术的发展, 基于空芯光波导的光谱气体检测正在迅速发展, 并逐步由实验室走向现场应用。

红外光谱分析技术已被液体、 固体和气体混合物各组分的定量检测广泛应用。 针对红外光谱定量检测过程中存在的计算过程复杂、 受背景及噪声干扰、 多组分谱线混叠的问题, 一方面, 通过获取谱线二阶导数去除背景及噪声干扰, 并一定程度上区分混叠谱峰。 在获取二阶导数谱线过程中运用Savitzky-Golay滤波器进行平滑滤波处理, 并根据谱线频率特征选取Savitzky-Golay滤波器最佳滤波参数, 解决了滤波参数缺乏标准化选取方法的问题。 另一方面, 根据被测组分的吸收分布情况生成特征吸收窗分别对待测原始吸收谱线以及二阶导数谱线加以处理, 提取出在浓度计算过程中占据重要性更大的特征吸收的区域, 从而排除非吸收区域中背景、 噪声及其他组分对计算结果的干扰。 以一组丙烷、 丙烯和甲苯混合气体为例, 运用二阶导数方法以及特征吸收窗方法进行定量检测, 并与直接利用原始谱线的检测结果进行比较分析。 实验结果表明采用二阶导数谱与特征吸收窗的定量检测方法精度更高, 相对误差基本在5%以内。

空心光波导（hollow waveguide, HWG）可以同时传输红外激光和目标气体, 是激光气体传感器中的新型气体池, 具有体积小、 响应速度快的特点。 基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术, 以空心光波导为气体池, 研制了氨气激光传感器。 采用波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy, WMS)技术, 同时解调气体吸收的一次谐波（1f）和二次谐波（2f）信号, 通过1f归一化2f信号实现免校准（calibration-free）测量。 利用标准气体进行验证实验, 结果表明, 传感器的响应线性度R2为0.999 8, 响应时间24 s。 Allan方差结果表明积分时间18 s时检测限为26 ppbv。 该传感器可以用于空气中痕量氨气的快速、 高灵敏检测。