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光谱学是一门主要涉及物理学及化学的重要交叉学科，通过光谱来研究电磁波与物质之间的相互作用。光是一种由各种波长（或者频率）的电磁波叠加起来的电磁辐射。光谱是一类借助光栅、棱镜、傅里叶变换等分光手段将一束电磁辐射的某项性质解析成此辐射的各个组成波长对此性质的贡献的图表。例如一幅吸收光谱可以在某个波段按照从低到高的波长顺序列出物质对于相应波长的吸收程度。

随着科技的进展，光谱学所涉及的电磁波波段越来越宽广，从波长处于皮米级的γ射线，到X射线，紫外线，可见光区域，红外线，微波，再到波长可达几公里的无线电波，都有其与物质作用的特征形式。按照光与物质的作用形式，光谱一般可分为吸收光谱、发射光谱、散射光谱等。通过光谱学研究，人们可以解析原子与分子的能级与几何结构、特定化学过程的反应速率、某物质在太空中特定区域的浓度分布等多方面的微观与宏观性质。

近日，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所刘文清团队在《光学学报》上发表创刊四十周年特邀综述，全面解析环境监测领域中光谱学的技术进展。光学技术发展了现代的环境光谱学。目前已形成了以差分光学吸收光谱（DOAS）技术、傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术、非分光红外（NDIR）技术、可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术、激光雷达（LIDAR）技术、荧光光谱技术、激光诱导击穿光谱（LIBS）技术、光腔衰荡光谱技术（Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS）、光散射测量技术、光声光谱技术等为主体的环境光学监测技术体系，实现了对环境痕量成分/多要素的现场快速探测与多维度多平台监测，已成功应用于大气、水源及土壤等的监测。

在实际运用中，通常将环境光谱和遥感技术结合应用，通过对系统性、区域性和复合性污染研究和多元信息融合，可以实现在线监测环境复合污染物、三维立体和流动在线监测，为构建天空地一体化环境复合污染物观测、研究、示范平台奠定技术基础。

傅里叶变换红外光谱

简写为FTIR。傅里叶红外光谱法是通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变化的方法来测定红外光谱。红外光谱的强度h(δ)与形成该光的两束相干光的光程差δ之间有傅里叶变换的函数关系。傅立叶变换红外光谱(Fourier Transform infrared spectroscopy)一种将傅立叶变换的数学处理，用计算机技术与红外光谱相结合的分析鉴定方法。主要由光学探测部分和计算机部分组成。当样品放在干涉仪光路中，由于吸收了某些频率的能量，使所得的干涉图强度曲线相应地产生一些变化，通过数学的傅立叶变换技术，可将干涉图上每个频率转变为相应的光强，而得到整个红外光谱图，根据光谱图的不同特征，可检定未知物的功能团、测定化学结构、观察化学反应历程、区别同分异构体、分析物质的纯度等。

可调谐半导体激光吸收光谱

该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。可调谐半导体激光器，常用于TDLAS技术的可调谐半导体激光器包括：法珀激光器、分布反馈式半导体激光器、分布布喇格反射激光器、垂直腔表面发射激光器和外腔调谐半导体激光器。TDLAS通常是用单一窄带的激光频率扫描一条独立的气体吸收线。为了实现的选择性，分析一般在低压下进行，这时吸收线不会因为压力而加宽。这种测量方法是Hinkley和Reid提出的，已经发展成为了非常灵敏和常用的大气中痕量气体的监测技术。

激光雷达

是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导 弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量。

荧光光谱

气态自由原子吸收光源的特征辐射后，原子的外层电子跃迁到较高能级，然后又跃迁返回基态或较低能级，同时发射出与原激发波长相同或不同的发射即为原子荧光。原子荧光是光致发光，也是二次发光。当激发光源停止照射之后，再发射过程立即停止。荧光光谱包括激发谱和发射谱两种。激发谱是荧光物质在不同波长的激发光作用下测得的某一波长处的荧光强度的变化情况，也就是不同波长的激发光的相对效率；发射谱则是某一固定波长的激发光作用下荧光强度在不同波长处的分布情况，也就是荧光中不同波长的光成分的相对强度。

激光诱导击穿光谱

技术通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析以确定样品的物质成分及含量。超短脉冲激光聚焦后能量密度较高，可以将任何物态（固态、液态、气态）的样品激发形成等离子体，LIBS技术（原则上）可以分析任何物态的样品，仅受到激光的功率以及摄谱仪&检测器的灵敏度和波长范围的限制。。再者，几乎所有的元素被激发形成等离子体后都会发出特征谱线，因此，LIBS可以分析大多数的元素。如果要分析的材料的成分是已知的，LIBS可用于评估每个构成元素的相对丰度，或监测杂质的存在。在实践中，检测极限是：a）等离子体激发温度的函数，b）光收集窗口，以及c）所观查的过渡谱线的强度。LIBS利用光学发射光谱，并且是该程度非常类似于电弧/火花发射光谱。

光腔衰荡光谱技术

是一种非常灵敏的光谱学方法。它可用来探测样品的的光学消光，包括光的散射和吸收。它已经被广泛地应用于探测气态样品在特定波长的吸收，并可以在万亿分率的水平上确定样品的摩尔分数。这种方法也被称作激光光腔衰荡吸收光谱。一台典型的光腔衰荡光谱装置包含了一个用于照亮高精细度光学谐振腔的激光光源，和构成谐振腔的两面高反射率反射镜。当激光和谐振腔的模式共振时，腔内光强会因相长干涉迅速增强。之后激光被迅速切断，以探测从腔中逸出光强的指数衰减。在衰减中，光在反射镜间被来回反射了成千上万次，由此带来了几到几十公里的有效吸收光程。

 新闻来源：中国科学院合肥物质科学研究院