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。

基于可调谐半导体中红外激光吸收光谱技术与长光程多次反射技术的有机结合, 利用乙炔 (C2H2) 气体位于中红外波段 3025.7 nm 附近的吸收谱线, 实现了 nmol/mol 级微量 C2H2 气体的快速实时检测。通过 DDS 芯片 AD9958 产生高频正弦波与三角波信号叠加, 经恒流电路实现对带间级联激光器的稳定驱动, 采用 HgCdTe 光电检测器接收中红外激光, 通过集成锁相放大器提取目标信号。基于 White 型多次反射与平面反射的组合设计了一款长光程吸收池, 测量光程达到 19.2 m, 进一步降低了 C2H2 检出限。在实验室对 0～1000 nmol/mol 微量 C2H2 进行了初步测试, 结果表明线性误差不超过 ±1% F.S., 检出限达到 0.29 nmol/mol, 表明该方法具有测量准确性高、测量不受背景气体交叉干扰和使用方便等优势。

针对传统种子呼吸CO2浓度检测方法中检测精度低的问题, 为了满足测量需要, 提出一种采用可调谐二极管激光器吸收光谱技术的种子呼吸测量系统方案。该系统是由多次反射池结构的种子呼吸容器、分布反馈式激光器及其控制电路、光电转换及放大电路、数据采集电路、上位机软件等构成, 设计种子呼吸容器其空间体积为1.5 L, 激光器光源采用2 004 nm波段, 多次反射池光程为16 m。然后, 基于朗伯比尔定律, 通过波长调制吸收光谱技术, 利用二次谐波实时反演出种子呼吸过程中产生CO2气体的浓度。测试结果显示: 种子呼吸CO2浓度测量的稳定重复性为0.033%, CO2浓度的线性拟合度为0.999 38, CO2浓度检测极限为1.7 ppm。通过实验对糯玉米种子进行检测, 获得20 g玉米种子呼吸的变化曲线, 其12 h内变化量为2 750.5 ppm, 呼吸速率为229.2 ppm/h, 实验结果表明该系统能解决种子呼吸CO2浓度无法连续性测量、浓度检测精度低等问题。

中国的大气环境污染形势严峻,地域性大气问题严重,以燃煤为主的火力发电厂、燃煤锅炉等是最主要的SO2、NOx排放源。 现行的燃煤烟气排放标准做了严格规定,从而对烟气连续排放在线监测技术提出更苛刻的要求。基于傅立叶变换红外光谱技术与 伴热式多次反射池技术,研究燃煤电厂SO2、NO污染气体超低浓度检测系统。针对SO2、NO的分子吸收光谱特征, 采用SiC作为光源,选择测量波段1900～2600 nm;采用傅立叶变换红外光谱技术对测量光谱进行处理,与现场两台设备的 测量数据进行分析, SO2、NO气体的相关性良好,满足超低排放烟气监测需求。

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术对高纯氮气中的痕量水汽进行检测。首先,在自主设计的多次反射池中,利用体积分数为1.007×10 ^-3的CH₄作为标准气体,运用1654 nm附近的CH₄吸收光谱,采用三线拟合方法同时拟合3条中心频率相近(小于0.01 cm ^-1)、低态能级相同的吸收线,测量得到多次反射池的精确光程;然后,研究可调谐二极管激光吸收光谱系统中激光器干涉背景和周围空气段的吸收本底,获得可调谐二极管激光吸收光谱系统的精确本底;最后,利用激光器波长为1854 nm的可调谐二极管激光吸收光谱系统(探测灵敏度为1.14×10 ^-6)对高纯氮气中水汽的浓度进行测量,通过严格的背景吸收扣除以及多线Voigt线型模型拟合得到了无背景吸收的水汽光谱,进而获得高纯氮气中水汽的体积分数。结果表明:得到的实验高纯氮气中水汽的体积分数与国家标准规定的高纯氮气中水汽的体积分数的最大偏差为10.33%。

注多元热流体组分含量的在线检测对调控稠油采收率有重要影响。阐述了多元热流体原位检测的长光程光路设计，研究了光束发散角对检测系统接收效率的影响，定量分析了注气管道高温内壁的杂散辐射强度，利用蒙特卡洛光线追迹法验证了离轴接收系统杂光抑制结构的有效性。结果表明，反射镜镀膜为银膜，光学窗口材料为熔融石英，多次反射结构的最佳反射次数为42次，有效吸收光程为220 cm；系统接收效率随发射光束发散角增大而减小，当发散角控制在1.8 mrad内，光学接收效率大于40%；在杂光入射离轴角为5°时，系统PST仅为5.66×10-8，当离轴角大于10°时，PST维持在10-14数量级以下，可有效抑制高温注气内壁对系统信号接收的干扰。

海气界面CO2测量对于海洋科学研究具有重要意义, 在目前的海洋CO2测量仪器中, 基于可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）的设备因灵敏度高、 环境适应性强等特点受到关注。 TDLAS系统的体积和灵敏度通常受限于多次反射腔的大小和光程。 针对海洋CO2脱气量小且灵敏度高的测量需求, 自主设计了一套微型多次反射腔, 用于TDLAS系统的CO2测量。 该微型多次反射腔采用两片口径为25.4 mm、 焦距为50 mm的球面反射镜, 以38 mm的腔长实现了253次反射, 获得了约10 m的光程, 封装后的样品池体积仅有90 mL。 基于该微型多次反射腔搭建了一套直接吸收TDLAS的CO2气体浓度测量系统, 通过标准气体对该系统进行了测试, 检测限约为26×10-6, 不同浓度气体线性相关度R2为99.986%。 同时还将该系统与LGR公司生产的便携式温室气体分析仪（UGGA）进行了对比测量, 结果表明二者在白天CO2浓度波动较大和夜晚CO2浓度变化较平稳两种情况下均表现出较好的一致性, R2大于97%。 实验结果证明了系统性能, 下一步将优化试验装置并进行现场应用。

大气碳同位素在环境污染源汇示踪和地球化学发展等方面的应用越来越广泛, 在其探测技术方面, 激光吸收光谱技术具有体积小、 可在线、 灵敏度高等优点, 在气体同位素探测中越来越受到重视。 工作中研究了2.7 μm波段的分布式反馈激光器(distributed feedback laser, DFB)可调谐半导体激光器的性能, 在遵循12CO2和13CO2同位素分子吸收谱线特征和同位素分子谱线选择原则的基础上, 确定了合适的激光器输出波长。 结合光程390.3 m的新型多次反射池, 实现了大气中CO2分子的δ13C同位素丰度探测。

氟化氢（HF）是变电站气体绝缘开关进行故障诊断的重要特征气体之一, 因此HF气体的高测量精度, 快速响应, 实时在线检测的方法是工业和环境领域的研究重点之一。 结合激光吸收光谱技术和蒙乃尔钢材加工的耐腐蚀多次反射池搭建HF检测实验系统; 分析了HF气体在不同温度下的激光吸收光谱特性, 根据HITRAN数据库的HF气体配分函数系数得到配分函数曲线和吸收线强曲线; 在研究工作中重点设计了结合激光光谱解析和温度参数修正的浓度反演算法以实现气体浓度的准确检测; 结合多次反射吸收池的温度特性利用不同浓度配比的HF样气得到连续实验结果。 多次反射池加热后并稳定工作在313和323 K时, 温度修正前浓度反演的最大相对误差分别为5.33%和5.87%, 温度修正后浓度反演的最大相对误差分别为1.20%和1.47%。 通过连续检测和计算, 系统在323K时HF检出限为8.7×10-5 mmol·mol-1, 高于290K时的检出限6.3×10-5 mmol·mol-1(20 m光程)。 尽管高温环境下温度修正后的检测误差大于室温情况, 但是同一高温下温度修正后的检测误差仍低于未经过温度修正的值。 通过该研究证明了本浓度反演算法工作稳定、 可靠, 可以满足化工生产现场HF实时监测的需求, 对于我国工业HF气体的安全排放监管和环境保护起有效的技术支持。

超材料吸收器由金属谐振腔、电介质层和金属底层平面这3部分组成。利用阻抗匹配原理或多次反射干涉理论可以定性或定量地解释超材料结构对入射的电磁波在某一共振吸收峰出现完美吸收的原因。然而，当超材料的结构参数一旦确定，就只能在特定的共振频率产生完美吸收。因此，如何调制超材料吸收器的吸收频率以及吸收强度引起了人们的广泛关注。近些年来，本课题组研究了如何实现超材料吸收器的动态调制。在此基础之上，综述几种可以有效地调制太赫兹超材料吸收的方法，包括改变中间电介质层的厚度、调节金属底层平面的电导率或在金属谐振腔的开口处添加光敏半导体材料，并对太赫兹超材料的吸收调制的发展前景进行了展望。