“激光”具有高单色性、高方向性、高相干性、高功率密度等特性，广泛应用于激光通讯、激光雷达、激光成像、激光加工、激光传感、激光遥感、激光医疗、激光武器等诸多领域。激光气体传感技术是激光传感领域的一个重要分支，该技术利用气体分子对特定波长激光的吸收作用，通过直接测定激光强度变化，或者间接探测气体分子吸收激光的非辐射跃迁弛豫过程诱导的光声效应、光热效应、拉曼效应、荧光效应来实施探测。近年来，随着近红外、中红外以及太赫兹波段半导体激光器的日益发展和成熟，为激光气体传感技术的显著进步提供了重要支撑。
由于“激光”的优良特性和多数气体分子的指纹吸收特性，使得激光气体传感器呈现出高选择性、高灵敏性、高稳定性、长使用寿命、可远距离感知、非接触探测等优点。目前激光气体传感器已逐步应用于环境监测、污染探测、医疗诊断、能源勘探、智慧农业、工业安全等社会生活的方方面面。近年来，国家提出了“双碳”战略（碳达峰、碳中和），对含碳排放气体（包含碳同位素）的高精度测量是实施该战略的重要环节。星载激光遥感技术、机载激光遥测技术、车载激光巡检技术为“空—天—地”一体化、全天候监测碳排放气体的含量、种类及来源提供了重要手段。
图1 面向空—天—地一体化检测的星载—机载—车载激光气体传感技术
2.1 面向城市安全的车载激光燃气巡检系统
天然气在日常生活、工业生产中应用广泛。管道是天然气大规模输送的主要方式，在输送过程中一旦发生管道泄漏，不仅造成重大经济损失和环境污染，还会带来严重的安全隐患，危及人身安全。传统燃气泄漏靠手持低精度探测仪步行检测，灵敏度低、测量范围小（< 1 m）。相比而言，车载移动平台，具有灵敏度高、检测范围广（10–100 m）、巡检周期短等优势，成为城市燃气泄漏巡检新的突破口。面向此重要需求，在国家重点研发项目的支持下，红外光电子学团队研制了面向城市燃气巡检的ppbv（十亿分之一）量级甲烷、乙烷双组分车载传感器，采用高精度的近红外离轴积分腔输出光谱技术，使车载移动探测方式下甲烷、乙烷的检测下限小于10 ppbv。结合全球定位系统、三维风速仪测量系统、云端服务器系统和智能数据处理算法，实现了天然气泄漏点的分等级快速识别和精确定位，已开展了城市燃气泄漏的巡检应用。
图2 （a）、(b)燃气爆炸事故现场示例（c）车载燃气巡检示意图（b）研制的燃气泄漏巡检系统（c）开展的燃气泄漏巡检应用
2.2 面向煤矿安全的红外激光气体传感系统
近年来，我国煤矿事故总数呈下降趋势，但瓦斯爆炸事故和煤自燃火灾事故仍然频繁发生，因此建立瓦斯和煤自燃事故的预警系统至关重要。瓦斯的主要成分是甲烷，煤尘自燃早期会产生一氧化碳，对煤矿开采环境中甲烷和一氧化碳的高精度分析和动态监测，有助于预警煤矿瓦斯爆炸和火灾。针对煤矿安全生产需求，在国家自然科学基金—重大科研仪器研制项目的支持下，红外光电子学团队研制了本质安全、防爆型红外激光瓦斯与一氧化碳双组分气体传感器，开展了煤矿瓦斯与一氧化碳含量、早期火灾探测的应用验证。
图3（a）近年来我国煤矿爆炸事故示例（b）研制的煤矿安全预警系统（c）测量煤矿瓦斯与一氧化碳含量
2.3 面向深海勘探的红外激光原位探测系统
海域可燃冰资源是我国重要的战略能源，可燃冰勘探及开发技术也是世界各国竞相发展的关键技术。目前，近海底高精度地球化学勘探装置在国际上仍处于研发和初步应用阶段，为追踪国际前沿技术水平，我国迫切需要研制水下原位高精度地球化学测量装备，监测近海底海水溶解气（如CH4、CO2、H2S）异常，勘探可燃冰的储量/分布。在国家重点研发计划项目支持下，红外光电子学团队结合高精度可调谐激光光谱技术、水下高效气液分离技术，研制出近海底中红外二氧化碳及碳同位素丰度传感系统，广州海洋地质调查局多次利用该系统在我国天然气水合物精细勘查靶区（中国南海“神狐”海域），开展了系统综合海上试验及示范应用。
图4（a）研制的传感器系统（b）耐压仓（c）放置于甲板上的拖体（d）传感器下水测试（e）陆域及海域可燃冰示意图（f）燃烧的可燃冰
2.4 面向集成传感的硅基激光气体探测芯片
分立式气体传感器体积/重量大、功耗/成本高。利用硅基集成技术，可将光源、传感波导和探测器集成在单个芯片上，形成集成式光学气体传感芯片。该类传感器除了具有分立式激光气体传感器的优点外，还具有体积小、重量轻、功耗低等优势。若进一步将片上光学气体传感芯片与电学信号处理芯片相结合，有望形成全集成化的光电气体检测芯片，从而应用于深空、深地、深海等对体积、重量、功耗严格限制的探测领域。针对上述需求，在国家自然科学基金项目支持下，红外光电子学团队研制了绝缘体硅、硫系玻璃、聚合物材料的近红外、中红外气体传感器，利用可调谐二极管激光吸收光谱技术，测量了甲烷、二氧化碳、水、乙醇等含量。
图5（a）片上气体传感原理及芯片结构示意图（b）研制的片上集成气体传感器及开展的气体检测应用
