基于腔增强吸收光谱（CEAS）技术和波长调制光谱（WMS）技术，搭建了腔增强光谱测量系统，并采用该系统实现了CO体积分数的测量。实验中使用中心波长为2.3 μm的分布式反馈激光器作为光源，以反射率为99.8％的两片高反镜构建了基长为30 cm的光学腔，达到了147.15 m的有效吸收路径；在此基础上，利用4297.705 cm^-1处的CO吸收谱线作为传感目标，实现了对CO的探测。利用CO体积分数不同的CO+N₂的混合气体对系统的测量准确度进行验证，结果显示，测量值与参考值大小基本吻合，测量误差约为0.2%，证实了所搭建系统的测量准确性。利用体积分数为3×10^-6的CO气体的二次谐波信号对系统的探测极限进行了分析，得到系统对CO的探测极限为138×10^-9。

基于呼吸气体分析的疾病诊断技术，属于无损医学诊断研究范畴，是今后医学诊断的重要发展方向，将会在今后无损医学疾病诊断中发挥重要作用，尤其是在当下新冠疫情肆虐的背景下，对于无创、实时、准确性高的疾病诊断技术的需求更加迫切。针对呼吸气体诊断需求，在介绍腔增强吸收光谱技术基本原理和技术特点基础上，概述了腔增强呼吸气体诊断技术国内外发展历史及现状，并在归纳整理呼吸气体诊断特点的基础上，分析了今后腔增强呼吸气体诊断技术发展方向，可为后续技术的发展和应用提供参考。

为了有效抑制离轴积分腔输出光谱气体传感中存在的系统及腔模噪声并提高信噪比和气体检测灵敏度,在传统经验模态分解(EMD)方法的基础上,提出了一种改进型的EMD滤波算法。在对含噪信号进行分层分解的过程中,结合Savitzky-Golay(SG)滤波算法和互相关运算,利用滤波信号与互相关系数来得到重构滤波信号。利用甲烷气体样品开展的仿真和实验结果表明,采用EMD-SG滤波方法能显著提高信噪比,降低气体检测下限。与传统的小波去噪、卡尔曼滤波相比,EMD-SG滤波算法在处理系统噪声中的高斯白噪声成分和非线性、非平稳的随机噪声成分上具有明显的优势,实现了较好的滤波效果。经EMD-SG滤波算法处理后,吸收信号的信噪比提高了1.9倍,系统的检测下限由8.7×10 ^-6下降到4.6×10 ^-6。所提出的基于离轴积分腔输出光谱技术的EMD-SG滤波算法具有较高的信噪比和较好的去噪效果,有效提升了系统的检测性能,为研制低噪声离轴积分腔气体传感器并将其用于大气环境监测提供了方法和依据。

腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点, 是高灵敏吸收光谱技术的重要组成部分。随着半导体材料和封装工艺的发展, 腔增强吸收光谱技术在光路结构、光源选择、以及与其他光谱技术的联合应用方面有了极大的改进和拓展, 在环境监测、医疗诊断、**建设、工业生产等领域有广阔的应用前景。对腔增强吸收光谱技术的研究现状、发展趋势、应用领域等方面进行详细的论述, 从腔增强吸收光谱技术的基本物理原理出发, 基于不同的光源描述常见的实验配置, 其次对改进光路几何结构的系统性能进行相关分析研究,此外概述了腔增强光谱技术与其他技术的联用情况, 并总结了目前该技术在不同领域的应用, 最后对各装置的发展前景进行了展望。

介绍了基于紫外LED光源的非相干宽带腔增强吸收光谱装置, 并将其应用于实际大气中的HONO和NO2浓度的探测。 中心波长为365 nm的UV-LED出射光被耦合到~1.76 m长, 由两片高反射率镜片组成的光学谐振腔内, 透过腔的光由便携式CCD光谱仪接收。 高反射率镜片的反射率由NO2和O2-O2的吸收谱来校正, 在353～376 nm的测量范围内, 最高反射率为0.999 17。 在120 s的采集时间内, HONO和NO2的探测极限(1σ)分别为0.6和1.8 ppbv。 将该装置测量的连续56 h大气中NO2浓度的变化与配备蓝光转换器的NOx分析仪测量的结果进行比较, 线性相关系数R2=0.89, 斜率为1.09, 截距为3.45。 基于该装置探测了实验室大气中的HONO和NO2昼夜浓度变化, 24 h内的HONO浓度在0~5.3 ppbv之间波动, 平均浓度为1.8 ppbv, NO2浓度变化范围为5~51 ppbv, 平均浓度为21.9 ppbv。

乙烷是电力变压器油中溶解的主要故障特征气体之一, 其高精度、 高灵敏度检测是进行油中溶解气体分析的关键。 基于光反馈原理及腔增强吸收光谱技术, 结合量子级联激光器, 建立了一套变压器油中溶解乙烷气体检测系统。 基于腔内单腔模对称理论, 通过LabVIEW编程来实现反馈光与腔谐振的相位匹配。 研究并实现了光学反馈效应(激光将在延迟一定的时间后, 返回激光腔并锁定腔模式共振频率)、 偶数和奇数模式效应(交替出现强度较大和较小的腔模式)、 激光器阈值电流降低效应(约1.2 mA)。 利用腔衰荡光谱检测技术测得的系统有效反射率、 腔品质因素分别为99.978%和7138.4, 系统光谱分辨率达到0.005 2 cm-1。 标准大气压、 温度20 ℃下, 1 s的积分时间内, 对乙烷PQ3吸收线进行检测, 系统检测准确率及检测极限分别达到95.72%±0.17%和(1.97±0.06)×10-3 μL·L-1, 满足了变压器油中溶解乙烷气体检测的需要。

腔增强/衰荡吸收光谱技术,是目前应用最广泛的气溶胶光学特性原位测量方法之一,由于其原位、 实时特性,测量过程中气溶胶状态不会发生改变,测量具有代表性,近些年来已经开始作为各种仪器综合 比对实验中使用的参考标准。在经过近30年的发展后,相关技术发展日益成熟。对腔增强/衰荡吸 收光谱技术的发展及其在气溶胶光学特性测量方面的应用研究做了简要的回顾。

采用蓝色发光二极管(LED)作为非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统光源，测量了436~470 nm波段内NO2样气的吸收，验证IBBCEAS的高探测灵敏度。通过氮气和氦气两者瑞利散射截面的差异标定了镜片在430~490 nm波段内的反射率，并利用纯氧中氧气二聚体(O2-O2)在477 nm处的吸收验证了镜片反射率标定的准确性。镜片反射率在461 nm处最大且为0.99937，光学腔长度为73.5 cm时的最大有效光程为1.17 km。当光谱采集时间为20 s时，NO2的探测灵敏度(1σ)达到了0.25×10-9。进行了开放光路下环境大气中NO2和O2-O2在454~486 nm波段内的吸收测量，结果表明大气中气溶胶等颗粒物的Mie散射消光降低了IBBCEAS仪器的探测灵敏度 (1.04×10-9)。大气中O2-O2的测量为IBBCEAS吸收光程的在线标定提供了一种可行的途径。