在現(xiàn)代科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、生物醫(yī)學(xué)診斷和國(guó)家安全等領(lǐng)域，對(duì)物質(zhì)成分的快速、精確、非接觸式分析需求日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)光譜技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用，但在靈敏度、分辨率和選擇性方面面臨瓶頸。激光光譜儀（Laser Spectrometer）作為光譜分析技術(shù)的革命性發(fā)展，憑借其高亮度、窄線寬、高方向性和可調(diào)諧性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代精密測(cè)量領(lǐng)域的核心技術(shù)工具，開(kāi)啟了高靈敏度、高選擇性物質(zhì)檢測(cè)的新紀(jì)元。

一、基本原理與技術(shù)特點(diǎn)

激光光譜儀是利用激光作為激發(fā)光源，與物質(zhì)相互作用后，通過(guò)檢測(cè)其吸收、發(fā)射、散射或熒光等光學(xué)信號(hào)，分析物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)、分子振動(dòng)、化學(xué)組成及物理狀態(tài)的儀器。其核心在于“激光+光譜”，將激光的優(yōu)異特性與光譜學(xué)的分析能力深度融合。

與傳統(tǒng)寬帶光源（如鎢燈、氘燈）相比，激光具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

-高單色性：譜線寬度極窄（可達(dá)MHz甚至kHz量級(jí)），能夠精確匹配特定原子或分子的躍遷能級(jí)，極大提高選擇性。

-高亮度與方向性：能量集中，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、微區(qū)或低濃度樣品的檢測(cè)。

-可調(diào)諧性：通過(guò)溫度、電流或外腔調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，覆蓋特定吸收譜線，適用于痕量氣體檢測(cè)。

-相干性與超短脈沖：支持非線性光譜、時(shí)間分辨測(cè)量和超快動(dòng)力學(xué)研究。

二、主要類型與工作方式

根據(jù)激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)制，激光光譜儀可分為多種類型，各具特色：

1.激光吸收光譜（LAS）與可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）

利用激光波長(zhǎng)掃描目標(biāo)分子的特征吸收線，通過(guò)比爾-朗伯定律計(jì)算濃度。TDLAS技術(shù)廣泛應(yīng)用于煙氣排放（如CO、CO?、NOx）、工業(yè)過(guò)程氣體（O?、CH?）和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，檢測(cè)限可達(dá)ppb（十億分之一）級(jí)。

2.激光誘導(dǎo)熒光光譜（LIF）

激光激發(fā)原子或分子至高能態(tài)，待其返回基態(tài)時(shí)發(fā)射熒光，通過(guò)檢測(cè)熒光強(qiáng)度和波長(zhǎng)進(jìn)行定性定量分析。LIF靈敏度，常用于燃燒診斷、自由基檢測(cè)、生物標(biāo)記物分析和單細(xì)胞成像。

3.拉曼光譜（Laser Raman Spectroscopy）

基于激光與分子振動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的非彈性散射效應(yīng)，獲得分子“指紋”光譜。共聚焦激光拉曼顯微鏡可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)空間分辨的化學(xué)成像，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、藥物分析、文物鑒定和法醫(yī)學(xué)。

4.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）

高功率脈沖激光聚焦于樣品表面，產(chǎn)生高溫等離子體，通過(guò)分析等離子體發(fā)射的原子/離子譜線，實(shí)現(xiàn)元素成分的快速檢測(cè)。LIBS無(wú)需樣品預(yù)處理，可進(jìn)行固體、液體、氣體的原位、在線分析，應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、核工業(yè)和太空探測(cè)（如火星車ChemCam）。

5.腔增強(qiáng)光譜（如CEAS、OF-CEAS）與光腔衰蕩光譜（CRDS）

將激光注入高反射率光學(xué)腔，使光程長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里，極大增強(qiáng)吸收信號(hào)。CRDS通過(guò)測(cè)量激光在腔內(nèi)衰減的時(shí)間來(lái)計(jì)算吸收系數(shù)，靈敏度可達(dá)ppt（萬(wàn)億分之一）級(jí)，是目前吸收光譜技術(shù)之一。

三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用領(lǐng)域

1.超高靈敏度與檢測(cè)限

可檢測(cè)痕量污染物、稀有同位素或低濃度生物分子，滿足環(huán)境與健康領(lǐng)域的嚴(yán)格要求。

2.高選擇性與抗干擾能力強(qiáng)

激光波長(zhǎng)可精確匹配目標(biāo)物特征譜線，有效避免背景干擾。

3.非接觸、無(wú)損檢測(cè)

適用于珍貴文物、活體組織、高溫或危險(xiǎn)環(huán)境下的遠(yuǎn)程測(cè)量。

4.實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)

可集成于工業(yè)管道或環(huán)境監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自動(dòng)化分析。

5.多功能與微型化趨勢(shì)

從實(shí)驗(yàn)室大型設(shè)備發(fā)展到便攜式、手持式甚至芯片級(jí)光譜儀，拓展了應(yīng)用邊界。

典型應(yīng)用包括：

-環(huán)境監(jiān)測(cè)：大氣污染物、溫室氣體、水質(zhì)重金屬檢測(cè)。

-工業(yè)過(guò)程控制：石化、鋼鐵、半導(dǎo)體制造中的氣體成分監(jiān)控。

-生物醫(yī)學(xué)：呼氣分析（如丙酮、NO）、血液檢測(cè)、癌癥早期篩查。

-公共安全：爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)劑的快速識(shí)別。

-科研前沿：冷原子物理、量子傳感、天體化學(xué)分析。

激光光譜儀不僅是科學(xué)探索的“眼睛”，更是守護(hù)環(huán)境、保障健康、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的“哨兵”。隨著激光技術(shù)與光子集成的不斷突破，激光光譜儀將在精準(zhǔn)醫(yī)療、智慧城市、碳中和監(jiān)測(cè)等國(guó)家戰(zhàn)略需求中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，照亮物質(zhì)世界的微觀奧秘。