全光學光致熱聲光譜實現高靈敏度非接觸式的硫化氫氣體傳感

石英音叉（quartz tuning fork, QTF）作為(wei) 一種基於(yu) 壓電特性的諧振聲電換能器，自2002年以來已成功應用於(yu) 痕量氣體(ti) 光聲傳(chuan) 感中，稱為(wei) 石英增強光聲光譜（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS）。QTF具有高共振頻率、高質量係數、小尺寸和成本低的優(you) 點，這使 QEPAS傳(chuan) 感器具有對環境聲噪聲的免疫力。相較於(yu) 傳(chuan) 統光聲光譜傳(chuan) 感器傳(chuan) 感器，QEPAS技術具有分析超小體(ti) 積氣體(ti) 樣本的能力。但是，QEPAS傳(chuan) 感器的運行需要QTF與(yu) 待測氣體(ti) 接觸，這使得QTF易被腐蝕且性能可能會(hui) 惡化，從(cong) 而限製了QEPAS傳(chuan) 感器在一些惡劣環境中的應用，如燃燒場診斷、腐蝕性氣體(ti) 測量。

光致熱聲光譜（light-induced thermoacoustic spectroscopy, LITS作為(wei) 一種基於(yu) 激光吸收光譜的氣體(ti) 傳(chuan) 感方法，於(yu) 2018年報道。該方法使用QTF作為(wei) 光熱探測器，與(yu) 在 QEPAS 傳(chuan) 感器中測量氣體(ti) 吸收光能產(chan) 生的聲信號不同，QTF被用來測量 LITS傳(chuan) 感器中光強度的吸收變化。光束被引導到QTF的表麵上，而不是在其間隙之間。QTF對光吸收產(chan) 生的熱能通過光-熱彈性轉換轉化為(wei) QTF的機械振動（此振動也會(hui) 進一步產(chan) 生聲波），並因其共振特性而增強了振動。

LITS 傳(chuan) 感器係統與(yu) 可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）的傳(chuan) 感器係統相似，隻是商用光電探測器被QTF取代。因此，與(yu) 傳(chuan) 統的PAS/QEPAS傳(chuan) 感器相比，LITS傳(chuan) 感器可以實現非接觸式測量，很好地避免了元器件腐蝕老化的問題。與(yu) 傳(chuan) 統的商業(ye) 光電探測器TDLAS技術相比，LITS技術具有成本低、體(ti) 積小、靈敏度高、大功率動態範圍和能通過增加激發激光功率來增強信號的優(you) 點，特別是它可以實現整個(ge) 紅外光譜區域痕量氣體(ti) 檢測，甚至太赫茲(zi) 光譜區域，不需要任何冷卻係統。

近日，來自華中科技大學和山西大學的聯合研究團隊發表了一種基於(yu) 全光學光致熱聲光譜（All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy, AO-LITS）的氣體(ti) 傳(chuan) 感技術，采用了商用標準QTF作為(wei) 光熱探測器，QTF的振動通過高靈敏度光纖法（Fabry-Pérot FP interferometry, FPI）技術測量，而不是傳(chuan) 統 LITS 中的壓電檢測。為(wei) 了提高傳(chuan) 感器係統的穩定性和實用性，研究組采用3D打印技術設計並製作了一個(ge) 基於(yu) QTF 的集成光纖FPI模塊。將雙波長解調係統與(yu) 橢圓擬合差分交叉乘法算法應用於(yu) 所開發的AO-LITS傳(chuan) 感器係統中。該全光檢測方案具有靈敏度高、可遠程檢測和抗電磁幹擾的優(you) 點。項目成果《All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing》在2022年九月發表於(yu) 《Photoacoustics》。

圖1 基於(yu) QTF的集成光纖FPI模塊(a)三維原理圖(b)照片。

基於(yu) AO-LITS技術，研究組開發了一個(ge) 硫化氫傳(chuan) 感器係統，實現了非接觸式測量。傳(chuan) 感器采用一個(ge) 1576.29 nm的分布式反饋（distributed feedback, DFB）激光器作為(wei) 硫化氫檢測的激發光源。昕虹光電為(wei) 該項目提供了一個(ge) 有效光路長度為(wei) 3.3 m的赫裏奧特多通氣體(ti) 池以增強對硫化氫氣體(ti) 的光吸收。相比於(yu) 傳(chuan) 統基於(yu) 壓電探測的LITS傳(chuan) 感器係統，該係統將探測靈敏度提高了3倍,在大氣壓下對硫化氫的檢測限達到了422 ppb。由於(yu) QTF不需要與(yu) 目標氣體(ti) 接觸，AO-LITS可以實現非接觸測量，並避免氣體(ti) 氣流噪聲對高靈敏度光學檢測的幹擾。實驗結果也表明，基於(yu) AO-LITS的硫化氫氣體(ti) 傳(chuan) 感器對長期檢測具有良好的穩定性。

圖2  AO-LITS傳(chuan) 感器係統的實驗裝置

參考文獻：Yufeng Pan, Jinbiao Zhao, Ping Lu, Chaotan Sima, Wanjin Zhang, Lujun Fu, Deming Liu, Jiangshan Zhang, Hongpeng Wu, Lei Dong, All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing, Photoacoustics, Volume 27, 2022, 100389,

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