腔增强吸收光谱技术（CEAS）具有测量精度高、响应时间快、空间占用少等优势，在痕量气体检测与精密光谱测量中发挥了重要作用。本文结合计算与实验结果，阐明了腔增强技术对信号增强的共性原理及实验测量吸收系数的方法，进而介绍了几种具有代表性的腔增强吸收光谱技术，包括：相干光CEAS技术、非相干光CEAS技术及光梳相干宽带CEAS技术等。以此为基础对腔增强吸收光谱技术在大气污染检测、生物医疗传感、化学反应动力学诊断等方面的应用进行综述。最后对腔增强吸收光谱技术的未来发展进行了展望。

不论是在科学研究, 食品安全, 医学检测, 还是在安全事故预防等领域, 对多组分混合气体进行快速、 准确的定性定量分析已经成为一种迫切的需求 。 拉曼光谱法是一种强大的气体传感方法, 既能克服传统的非光谱法检测时间长、 重复性差等弱点, 又能弥补吸收光谱法无法直接测量同核双原子分子的缺点, 同时还能使用单一频率的激光器对多组分混合气体进行定性和定量分析。 但由于物质固有的弱拉曼效应, 加之气体的拉曼效应一般远低于固体和液体, 这极大地限制了拉曼光谱法在气体传感领域的应用。 如何提高气体的散射强度是使气体拉曼传感技术得到更广泛应用的关键。 目前最主要的气体拉曼传感增强技术包括腔增强技术和光纤增强技术。 腔增强技术从提高与待测气体作用的激发光强度和作用路径来从源头上增强拉曼散射信号, 包括多次反射腔增强、 F-P腔增强、 激光内腔增强。 光纤增强则从提高球面散射光的收集效率来增强拉曼散射信号, 使绝大部分拉曼散射光都能进入光谱探测器, 包括镀银毛细管增强和空芯光纤增强。 简要介绍了上述两种技术的的增强原理, 汇总了研究进展以及应用现状, 并讨论了它们各自的优势以及局限性, 最后着眼于多组分痕量气体的检测, 展望了气体拉曼传感技术未来的发展趋势。 尽管目前基于吸收效应的光谱分析方法在气体检测领域占据主导地位, 尤其是光声光谱法, 但在不久的将来, 气体拉曼传感技术有望在气体检测领域得到越来越广泛、 越深入的应用。

介绍了研制的一种基于共轴锁模腔增强吸收光谱技术的中红外甲醛气体检测系统。 系统采用了发射中心波长为3.6 μm的带间级联激光器为光源, 以高精度F-P谐振腔作为气体反应池, 通过激光在谐振腔内的多次反射极大地提高了有效吸收路径。 为了实现甲醛检测, 利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将激光频率和腔谐振频率锁定至波长为3 599.08 nm的甲醛吸收峰上。 实验发现, 谐振腔腔长容易受到外界环境的影响产生变化, 导致系统失去锁定, 产生测量误差; 为了抑制这一现象, 提高系统的准确性和抗干扰性, 采用了动态PDH锁定技术, 通过低频锯齿波信号对腔长进行小范围内的周期性调制, 使得腔谐振频率在目标气体吸收峰附近缓慢来回变化; 通过选择合适的扫描范围使得在扫描过程中激光与谐振腔保持频率锁定。 系统通过光电探测器采集谐振腔透射光强信号, 通过对腔透射信号进行拟合计算来确定甲醛浓度。 为了验证检测系统的有效性、 评估系统的性能, 采用质量流量计配备了6种不同浓度的甲醛气体样品并开展了甲醛吸收光谱测量实验、 系统标定实验和稳定性实验。 实验结果显示, 在0~10 mL·L^-1范围内, 腔透射信号拟合值与甲醛浓度之间呈现出良好的线性关系; 通过Allan方差分析得到当积分时间为1 s时系统检测下限为52.8 nL·L^-1, 积分时间为14 s时检测下限可以降至3.3 nL·L^-1。 此外, 通过增加谐振腔的腔镜反射率和腔长可以提高有效吸收路径, 进一步降低检测下限。 该系统灵敏度高、 响应速度快, 具有较好的抗干扰性和长期稳定性, 在痕量甲醛检测方面具有广阔的应用前景。

Optical barcodes have demonstrated a great potential in multiplexed bioassays and cell tracking for their distinctive spectral fingerprints. The vast majority of optical barcodes were designed to identify a specific target by fluorescence emission spectra, without being able to characterize dynamic changes in response to analytes through time. To overcome these limitations, the concept of the bioresponsive dynamic photonic barcode was proposed by exploiting interfacial energy transfer between a microdroplet cavity and binding molecules. Whispering-gallery modes resulting from cavity-enhanced energy transfer were therefore converted into photonic barcodes to identify binding activities, in which more than trillions of distinctive barcodes could be generated by a single droplet. Dynamic spectral barcoding was achieved by a significant improvement in terms of signal-to-noise ratio upon binding to target molecules. Theoretical studies and experiments were conducted to elucidate the effect of different cavity sizes and analyte concentrations. Time-resolved fluorescence lifetime was implemented to investigate the role of radiative and non-radiative energy transfer. Finally, microdroplet photonic barcodes were employed in biodetection to exhibit great potential in fulfilling biomedical applications.