使用中心波长为1658.7 nm的可调谐半导体分布反馈式（DFB）激光器，基于离轴积分腔光谱（OA-ICOS）技术，对激光器调谐范围内的甲烷稳定碳同位素分子¹³CH₄和¹²CH₄的光谱进行同时测量。选取光纤耦合助推光放大器（BOA）实现激光器输出光功率的有效放大，在保证积分腔的模式噪声不变的情况下，提高了探测器的可探测光功率，显著增加了有效光程长度，进一步提高了测量结果的信噪比。最后，通过对体积分数为500×10^-6的CH₄标准气体进行长时间测量，当平均时间达到663 s时，同位素δ（¹³C）的探测极限达到0.56‰。该技术可为大气环境下甲烷中碳稳定同位素的测量提供参考。

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物, 常常被作为反应燃烧效率的标志物, 燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、 减少污染物排放具有重要意义。 离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）是一种利用物质对激光的特异性吸收, 实现对该物质分析和测量的技术, 具有非接触、 稳定和高灵敏度等优点。 针对燃烧场CO浓度低, 背景信号干扰强等特点, 采用分布反馈式（DFB）激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统, 通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。 利用仿真模拟的方法, 在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出, 高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。 通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程; 通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差, 得到最佳波长扫描频率; 通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。 探究了不同燃烧情况下CH4/Air预混平焰炉上CO的产生情况, 根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。 当量比为1.0时, 在10 ms的测量时间分辨率下, 噪声等效灵敏度（NEAS）为3.67×10-7 cm-1·Hz-1, 系统测量误差小于4.5%, 燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。 改变当量比从0.8到1.2时, 得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K, CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。 研究发现随着当量比的提高, 燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。 实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、 检测灵敏度高等优点, 可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。

为了实现大气甲烷(CH₄)浓度的高灵敏、实时检测,研制了一种基于开放光路的高稳定性笼式结构光学谐振腔,并结合离轴积分腔输出光谱技术研制了一种大气CH₄浓度传感系统。采用中心波长为1653 nm的可调谐半导体激光器作为光源,将反射率为99.92%的高反射镜置于距离光源35 cm处构建光学谐振腔。实验测得高反射镜的实际反射率为99.93%,谐振腔的有效光程可达516 m。Allan方差结果表明,当积分时间为4 s时,基于离轴积分腔的CH₄检测系统的最低检测下限为8×10 ^-9。利用开放光路的优势,开展了CH₄泄漏模拟实验,实验证明该系统具有快速检测CH₄泄漏的能力,为进一步研制应用于现场、且能快速响应的甲烷泄漏检测仪提供了依据。

离轴积分腔输出光谱技术是痕量气体检测的重要方法, 这种测量方法的检测限容易受到残余腔模式噪声和背景噪声的影响。 通过注入射频白噪声到激光器的调制电流中, 以减小离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式噪声, 同时利用波长调制技术抑制了背景信号的影响, 进一步提高了基于离轴积分腔输出光谱技术的甲烷传感系统的信噪比。 首先, 详细研究了不同功率射频白噪声对空气中甲烷吸收光谱的影响, 并对吸收谱的线宽进行了分析, 计算出了不同功率噪声扰动下的吸收谱对应的最佳调制幅度。 随后, 研究了不同功率的射频白噪声对2f信号的影响。 结果表明, 随着扰动噪声功率的增加, 基线噪声水平和2f信号幅值同时减小。 对几组2f信号的信噪比进行分析, 确定了射频白噪声提高系统信噪比的最佳功率为-25 dBm。 最后, 研究了0.05~2.2×10-6浓度范围内, 甲烷浓度与2f信号之间的对应关系, 结果表明: 在甲烷浓度小于1.0×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间的线性度为0.999 6; 在甲烷浓度为0.1~2.2×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间呈曲线关系, 二阶多项式拟合的相关度为0.999 89。 此外, 对浓度为2.2×10-6的甲烷气体进行了长时间的测量, 并利用Allan方差对系统的稳定性进行了分析, 分析结果表明系统的最佳积分时间为1 250 s, 系统的可探测极限约为1.2×10-9。 最后, 使用建立的甲烷气体探测系统, 对大气环境中的甲烷气体浓度进行了长达两个昼夜的检测, 结果显示甲烷浓度的昼夜变化规律是昼降夜升, 浓度昼夜波动范围在2.02~2.3×10-6范围内, 平均浓度为2.14×10-6。 本研究为离轴积分腔输出光谱技术在痕量气体测量方面的应用提供了一定的参考, 对高精密的原位痕量气体测量仪器的研发具有重要的指导价值。

可燃冰是一种清洁无污染的新型能源。为了对可燃冰资源进行深海连续走航勘探,膜分离-离轴积分腔输出光谱联用技术(M-ICOS)被应用于海水溶解CH4和CO2气体的探测。M-ICOS系统由膜分离单元、腔内温度压力控制单元、光腔、光谱测量单元和工业计算机等组成。实验研究发现,该系统的温度和压力控制精度分别为0.0003733 ℃和0.6799 Pa,CH4检测极限为0.56×10 -9,CO2检测极限为0.62×10 -6。利用M-ICOS系统在南海神狐海域进行了实地测量实验,实验发现,在海面下500~700 m处,水中溶解的CH4和CO2浓度有剧烈的波动,这可能是由于此处海流携带了海底可燃冰富集区域释放的高浓度溶解气体。M-ICOS系统具有良好的灵敏度和稳定性,能够在深海恶劣条件下对海水溶解CH4和CO2进行探测,从而实现对可燃冰资源的连续走航勘探。

放电引发非链式脉冲HF激光器在全谱输出条件下典型的输出谱线约16条,谱线集中在2.65~3 μm波段,大气中H₂O分子在2.7 μm附近的吸收带对HF激光能量衰减有较大影响。利用放电引发非链式脉冲HF激光器,获得了宽谱脉冲HF激光在空气中的吸收衰减规律。实验结果表明,全谱输出条件下脉冲HF激光在激光器出口处的吸收系数约为0.066 m ^-1,传输40 m后吸收系数降低到0.01 m ^-1附近。吸收系数随着传输距离的增加而减小,并趋于常数。通过对非链式脉冲HF激光2.8 μm以下输出光谱的抑制,在激光器出口处吸收系数减小到原来的1/3,约为0.022 m ^-1,一定程度上降低了空气吸收对激光能量的衰减。