具有高灵敏度、 高光谱分辨率的中红外激光外差光谱气体探测, 是以窄线宽激光器作为本地振荡器, 通过放大入射的微弱吸收信号, 实现大气痕量气体柱浓度和垂直浓度廓线的遥感探测技术。 基于当前的激光外差辐射计, 提出了一种新型的仪器结构。 引入直接吸收光谱系统实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 采用紧凑型红外黑体源EMIRS200作为宽带辐射光源, 替代太阳光, 进行激光外差系统的验证分析。 为激光外差辐射计的下一步系统集成提供了新方法。 研制了中红外宽调谐激光外差辐射计概念验证系统, 对系统基本参数进行了测试分析。 该系统采用8 μm外腔量子级联激光器(EC-QCL)作为本地振荡光源, 红外黑体源EMIRS200作为辐射光源。 通过对该系统基本参数的测试数据分析, 获得了系统信噪比(~120)和外差转换效率(~0.006)参数。 利用艾伦方差分析确定了EC-QCL的稳定时间至少达到了133 s, 因此非常适合于激光外差光谱的采集。 得到直接吸收光谱系统的1σ最小体积分数探测限为2.312×10-8, 能够满足大气甲烷高灵敏检测需求, 同时实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 最后利用已建立的激光外差辐射计概念验证系统获取了甲烷中红外8 μm处高分辨激光外差吸收光谱, 并与甲烷在8 μm波段附近的直接吸收光谱进行了光谱比对。 最后拟合了系统光谱分辨率参数, 验证了该概念验证系统的高光谱分辨率, 能满足较窄线宽条件下的高分辨率激光外差光谱的测量。 实验结果表明, 激光外差系统中引入直接吸收光谱系统可以实现外差系统工作波长的选定和频率标定。 紧凑型红外黑体源EMIRS200可以用于激光外差辐射计的结构优化, 实现激光外差系统的分析验证, 为进一步应用于测量实际大气中多组分气体的光谱提供了实验基础并拓展激光外差辐射计在高精度遥感探测领域的应用。

非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)技术凭借其高选择性、高灵敏度、高时空分辨率等优势而逐渐成为NO₃自由基的主要测量方法之一。然而其使用的光谱仪分辨率有限,不足以分辨水汽的精细吸收结构,导致水汽的吸收非线性,进而影响NO₃自由基浓度的准确反演。介绍了一种基于插值法获取水汽有效吸收截面的方法,并将其用于消除IBBCEAS装置中水汽吸收对NO₃自由基浓度反演的干扰。利用不同浓度的水汽吸收谱结合插值法获得了水汽的有效吸收截面,使用该有效吸收截面来反演不同浓度的水汽,反演结果与商用湿度计测量结果的线性相关系数为0.99789。在此基础上测量并拟合了不同水汽浓度下NO₃自由基和NO₂气体的吸收,在拟合残差上未发现水汽残余结构,水汽反演结果与商用湿度计测量值的线性相关系数为0.999。在30 s的积分时间内,NO₃自由基和NO₂的探测极限分别为5.8×10 ^-12和3.6×10 ^-9。将本装置应用于夜间大气中进行NO₃自由基和NO₂浓度的测量,测得NO₃自由基体积分数为18.4×10 ^-12~22.9×10 ^-12,平均体积分数为20.2×10 ^-12,NO₂体积分数为0.6×10 ^-9~16.0×10 ^-9,平均体积分数为9.9×10 ^-9。实验结果表明:利用插值法获得的水汽的有效吸收截面能够有效消除水汽吸收对NO₃自由基浓度反演的干扰,提高NO₃自由基和NO₂气体浓度测量的准确度。

人体呼出气体中CO₂和水汽的浓度变化与身体状况密切相关,因此对其浓度进行检测具有重要意义。提出一种基于2.73 μm分布反馈式激光器的呼出气体检测装置,选取3659.402 cm ^-1和3659.934 cm ^-1处的谱线,利用波长调制光谱技术分别对人体呼出气体中的CO₂和水汽同时进行测量。结果表明:利用二次谐波信号对气体浓度进行定标,当CO₂和水汽的体积分数分别小于35%和2.3%时,线性度分别达到0.99945和0.99679;对呼吸循环过程中CO₂和水汽的浓度进行实时测量,积分时间为0.92 s时,探测灵敏度分别为4.33×10 ^-3和1.37×10 ^-4;在采集时间为56.8 s时,CO₂的探测精度为0.12%,在最佳积分时间为17 min时,CO₂的探测极限可达到1.49×10 ^-4。

Bowtie孔径结构已被广泛用于纳米直写光刻领域来获得超衍射聚焦光斑。然而，利用该结构获得的超衍射聚焦光斑呈椭圆形，影响了Bowtie结构的进一步应用。为了获得超衍射且圆形对称的聚焦光斑，本文提出了双Bowtie新型纳米光刻结构并利用Comsol软件仿真模拟了该结构的焦斑对称特性和电场增强特性。结果表明利用双Bowtie结构获得了圆形对称焦斑，并且出射面的电场强度得到了增强，是入射面电场强度的22倍。本文进一步将双Bowtie结构与金属/介质/金属结构相结合，使得局域增强后的透射光的传输距离(工作距)得到了显著延长。

本文用时域有限差分法研究了六角星形Ag纳米结构的消光光谱及其传感特性。计算结果表明,随着顶角角度从20°逐渐增大到140°,六角星形Ag纳米结构消光光谱峰值波长出现蓝移现象,并且强度逐渐减弱。折射率灵敏度受顶角角度影响变化很大,但角度变化对消光光谱的半高全宽的影响较小,品质因数主要受折射率灵敏度的影响在30°时最大。对于实验中顶角钝化的情况,本文分析发现,顶角钝化程度对其消光光谱也有一定影响,品质因数会随着顶角钝化的增加而减小,传感特性减弱。

结合布洛赫理论和麦克斯韦方程组，针对一维光子晶体表面缺陷态结构形成的布洛赫表面波进行理论分析，并研究了布洛赫表面波的局域特性和入射电磁波波长与角度对布洛赫表面波的影响。在此基础上，对一维光子晶体表面缺陷态结构的传感特性进行分析，当TE 偏振分量以一定角度入射到光子晶体中时，在待测溶液形成的缺陷层中发生谐振，电磁场被局域增强，与待测溶液分子充分作用，其形成的布洛赫表面波对待测溶液折射率变化具有高度的敏感性。数值模拟结果表明，其Q 值可达2620.29，灵敏度S 为62°RIU^-1，因此布洛赫表面波在一维光子晶体结构中具有很好的传感特性，可为折射率传感器的设计和应用提供理论参考。

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。

基于紧束缚理论,分析了一维多镜像光子晶体中多缺陷模的产生及缺陷模式分裂的机理,建立了缺陷模频率与缺陷层相对位置的关系模型.采用传输矩阵理论研究了双镜像光子晶体的光学传输特性,并讨论了光子晶体周期层数、入射角度、介质层厚度等及介质的相对折射率差等参数对光子晶体缺陷模特性的影响.模拟结果表明,调整光子晶体参数和缺陷层的相对位置可有效调控光子晶体的缺陷模特性,可为光子晶体多通道滤波器等光学器件的设计和应用提供一定的理论参考.

在国内首次报道以窄线宽的4.4 μm外腔量子级联激光(QCL)作为本地振荡光源, 黑体作为辐射光源的激光外差光谱实验装置的建立和测量工作。 激光外差光谱是一种高灵敏度的光谱探测技术, 并可以用于发展一种小型的光谱探测系统, 进行地基或星载的地球大气或天文观测。 介绍了激光外差的基本理论、 装置的建立和实验测量工作。 此激光外差光谱实验装置采用4.4 μm外腔量子级联激光, 出光功率高达180 mW, 在4.38～4.52 μm间连续可调, 具有很宽的光谱调谐范围, 能实现CO2, CO和N2O等大气重要分子的同时测量。 通过开展不同压力下CO2气体的激光外差光谱测量, 对激光外差光谱实验装置的性能进行了评估。 目前该激光外差系统的信噪比达到86, 低于散粒噪声极限条件的理论计算值287, 系统的光谱分辨率约为0.007 8 cm-1, 能满足较窄线宽条件下的高分辨率激光外差光谱的测量。 分析结果表明, 中红外激光外差光谱系统具有很高的瞬态信噪比及光谱分辨率, 在高精度测量大气温室气体的柱浓度和温室气体垂直廓线分布方面具有广阔的应用前景。

提出了多孔硅表面缺陷光子晶体结构，引入多孔硅敏感层及吸收介质层形成表面缺陷腔，利用多孔硅高效的承载机制，将其作为待测样本的传感区域；由于吸收介质ZnS对谐振波长的吸收，可在反射光谱中获得与谐振波长对应的缺陷峰。以多孔硅的厚度为被优化变量，利用反向传播神经网络进行结构参数优化获得多孔硅的厚度最优值。由Goos-Hanchen位移建立待测样本浓度与缺陷峰波长的关系模型，进而对该结构进行传感特性分析。结果表明，优化结构参数后，缺陷峰对应的反射率由31.23%下降到0.00129%，其Q 值可达1537.37。在传感特性研究中，每1%质量分数的灵敏度为2.5 nm。该表面缺陷光子晶体传感结构可为样本浓度、组分等信息的监测提供一定的理论参考。