二氧化碳(CO2)是植物光合作用的原材料, 也是一种温室气体, 其过量地排放会影响动植物的生态环境。 在碳达峰、 碳中和的背景下, 研制高灵敏度的CO2检测装置具有重要意义。 为了监测大气环境中CO2含量的变化, 设计了一种长光程共振式CO2气体光声传感器, 并以此搭建了光声检测装置。 以中心波长为2 004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源, 激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔, 在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。 吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹, 降低由池体吸收光能后产生的热噪声。 吸收腔上耦合一根声学管, 当其工作在一阶纵向共振模态时, 光声信号被放大, 在管子末端达到极大值。 为了进一步增大光声信号, 通过饱和加湿样品的方式来加快CO2气体的弛豫速率, 加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。 使用一系列浓度的湿润CO2样品标定光声检测装置, 结果表明, 光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。 在此基础上, 通过对标准气体的检测实验, 验证了装置的准确性与稳定性。 利用Allan方差评估装置在长时间工作下的检测灵敏度, 当平均时间为865 s时, 检测灵敏度为0.35×10-6。 与传统T型光声池相比, 光程增加了约20倍, 光声信号提升了约6倍。 使用装置对室外环境中的CO2进行了共10 h的检测, 得到室外CO2的平均浓度约为381×10-6。 综上所述, 由于长光程、 声共振以及加湿样品的有机结合, 有效地增大了CO2的光声信号, 为气体光声传感器以及检测装置的设计提供了相关参考。

提出一种新型平面镜光学多通池设计方案。该方案中光学多通池由价格低廉的平面镜和透镜构成, 相对于传统的昂贵的凹面镜多通池与柱面镜多通池, 此款新型光学多通池更经济适用。新型光学多通池在平面镜外侧镀有高反射率膜层, 这种镀膜方法隔绝了待测腐蚀性目标气体与高反射率镀膜层的接触, 减小腐蚀性气体对高反射率镀膜层的污染, 从而提高仪器的使用寿命和检测精度。为了验证了新型平面光学多通池是否具有提供有效长光程的能力, 利用光学软件对三种不同设计参数的新型光学多通池进行光学仿真。相比于传统的 White 池与 Herriot 池 (体积约为 700 cm3, 约经过 80 次光反射), 仿真结果显示新型平面镜光学多通池可以在较小的体积 (约 236、393、422 cm3) 分别实现 62、100、99 次光反射, 并提 供 14.64、40、42.57 m 的有效光程。新型光学多通池有效光程数与多通池体积比值很大, 其比值分别 为 100、62、101 mm－2, 表明该新型光学多通池空间利用率很高。初步研究表明该新型光学多通池具有小体积、长光程、低成本、探测灵敏度高等优点。

针对呼吸性粉尘浓度连续、 可靠、 低成本的实时检测需求, 实现了光谱应用技术创新, 提出了一种基于光声光谱的呼吸性粉尘探测系统, 低功率二极管激光器光谱中心波长为403.56 nm及相应的NO2有效吸收截面为5.948 5×10-19 cm2·mole-1; 通过频率扫描拟合得到了1.35 kHz的谐振频率。 开展了光声池结构的影响分析, 得到了光声池长度参数对本底噪声影响较小但对激光信号影响较大、 内径参数对本底噪声存在一定影响但对本底噪声影响较小的结论。 在考虑品质因数、 加工条件、 使用场合和待测对象属性等影响情况下, 选用120 mm的长度参数和8 mm的内径参数; 基于长度为60 mm、 内径为25 mm的缓冲腔结构, 开展了缓冲隔板对系统稳定性的影响分析, 通过在缓冲腔中设置缓冲隔板, 降低了本底噪声、 稳定了系统, 其幅值及波动由(2.83±0.11) μv稳定为(1.26±0.03) μv。 分析得到了NO2的比吸收系数为195.28 Mm-1·(mg·m-3)-1, 利用NO2气体在405 nm处的吸收对系统进行了标定, 得到了拟合斜率为0.0436 8 μv/Mm-1、 相关系数为0.998、 池常数为300.24 Pa·cm·W-1的结论。 同时在1 min平均时间下, 得到了系统探测浓度下限及吸收系数为2.30 μg·m-3和0.448 Mm-1。 基于标准微球的聚苯乙烯作为气溶胶发生器对象开展了呼吸性粉尘的吸收系数影响分析, 进行了5μm以下不同数浓度颗粒及同一数浓度下不同粒径颗粒吸收系数的测试, 结果表明： 呼吸性粉尘的吸收系数和数浓度成正比, 线性拟合后的斜率为10.598±0.641 96, 相关系数为0.993; 吸收系数曲线的方差在3～4 Mm-1间, 不同粒径的颗粒对吸收系数存在着一定的影响; 随着粒径增加, 吸收系数随之增加。 开展了环境大气中NO2的测量, 选用0.2 μm的过滤膜滤除粉尘的干扰, 实验结果表明大气NO2浓度为16.4~61.6 μg·m-3, 平均浓度为41.1 μg·m-3。 为了证实测量系统的准确性, 与课题组自行研发的长光程差分吸收光谱系统(LP-DOAS)进行了对比测试, 测试结果显示了本光声光谱系统和LP-DOAS系统测量NO2浓度的相关性较好, 线性拟合后的斜率为1.011 78±0.040 13, 相关系数为0.947 81。 开展了环境大气中呼吸性粉尘的测量, 选用5 μm过滤片过滤环境大气, 通过“NO2+5 μm粉尘”和“NO2+0.2 μm粉尘”两路测量对象的差分测量, 得到了呼吸性粉尘的变化趋势, 可以满足自然悬浮状态下的呼吸性粉尘吸收系数实时测量。

一氧化碳作为一种危险的开采排放气体, 在复杂的井下环境中极易累积, 对矿工生命安全造成严重威胁。 介绍了一种紧凑型一氧化碳检测仪, 该仪器采用激发波长为465 μm的量子级联激光器作为光源, 配合中红外碲镉汞光电探测器与光程长度12 m的紧凑型多次反射气室, 实现了对痕量一氧化碳气体的检测。 自主设计的新型高速光电信号采集系统解决了应用商业示波器造成的信号链阻抗失配的问题。 这一新系统的采样带宽为400 MHz, 采样频率1 GSPS, 垂直分辨率达到12 bit, 有效的提高了检测仪的灵敏度与集成度。 该仪器采用长光程差分吸收光谱法, 通过比较实测光谱与进行Voigt展宽的理论光谱之间的残差得出此检测仪的检测下限为108×10-9。 检测仪的测量误差有非平稳, 慢时变的特点。 根据这一特点我们采用阿伦方差对气体检测仪检测灵敏度进行了估计, 经过约40 s方差曲线达到极小值, 此时阿伦方差值为61×10-9。 在2 h的稳定性测试中, 检测仪稳定度达到21×10-3, 在长达12 h的稳定性测试中, 检测仪的稳定度依然可以达到17×10-2。 此仪器具有较高的灵活性, 通过更换不同激射波长的激光器可以实现对多种气体的痕量检测。

CO2是地球大气中第三大含量的痕量气体,对温室效应影响最大,主要来源于人类的日常活动,测量大气CO2浓度对了解 地区CO2的周期性变化与气候变化的内在规律有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技术,系统选择CO2在2004 nm附近的吸收线,采用直接吸收光谱处理方法,对开放式 长光程大气下的CO2进行了连续测量。通过与手持CO2测量仪的对比测量,二者的相关系数达到0.8371,二者的标准 偏差为7.204 ppm,测量结果的变化趋势符合较好,证明了实验系统的可行性,为国内激光遥测CO2提供了一种重要的思路与方法。

研究了长光程吸收池在气体浓度检测中的重要地位和作用， 详细分析了6种不同结构原理的长光程气体吸收池，并比较了它们之间的优缺点。结合 气体浓度光谱检测的发展需求，阐明了长光程吸收池在外形紧凑可靠、造价低、光能 损失少、调节方便、等效光程易于计算以及抗干扰能力强等方面的发展趋势。

拉曼光谱技术具有多组分同时探测、 分析周期短和非接触等特点, 被应用于多个领域, 但是由于较低的探测灵敏度, 限制了拉曼光谱技术的发展。 针对提高拉曼光谱技术对气体探测灵敏度问题, 本文设计并搭建了一套基于空芯光纤气体拉曼光谱增强系统, 开展了空芯光纤拉曼光谱系统和后向散射拉曼光谱实验系统对比实验研究。 实验结果表明, 空芯光纤对信号、 背景和噪声都具有放大效果, 以空气中氮气和氧气为探测物质, 与后向拉曼光谱信号相比, 在相同探测时间情况下, 信号强度增强60倍以上, 信噪比增强约6倍; 在相同探测强度情况下, 探测时间仅为后向散射的1/60, 噪声为后向散射拉曼系统的1/2。