石英音叉（quartz tuning fork, QTF）作為一種基于壓電特性的諧振聲電換能器，自2002年以來已成功應(yīng)用于痕量氣體光聲傳感中，稱為石英增強(qiáng)光聲光譜（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS）。QTF具有高共振頻率、高質(zhì)量系數(shù)、小尺寸和成本低的優(yōu)點(diǎn)，這使 QEPAS傳感器具有對(duì)環(huán)境聲噪聲的免疫力。相較于傳統(tǒng)光聲光譜傳感器傳感器，QEPAS技術(shù)具有分析超小體積氣體樣本的能力。但是，QEPAS傳感器的運(yùn)行需要QTF與待測(cè)氣體接觸，這使得QTF易被腐蝕且性能可能會(huì)惡化，從而限制了QEPAS傳感器在一些惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，如燃燒場(chǎng)診斷、腐蝕性氣體測(cè)量。

光致熱聲光譜（light-induced thermoacoustic spectroscopy, LITS作為一種基于激光吸收光譜的氣體傳感方法，于2018年報(bào)道。該方法使用QTF作為光熱探測(cè)器，與在 QEPAS 傳感器中測(cè)量氣體吸收光能產(chǎn)生的聲信號(hào)不同，QTF被用來測(cè)量 LITS傳感器中光強(qiáng)度的吸收變化。光束被引導(dǎo)到QTF的表面上，而不是在其間隙之間。QTF對(duì)光吸收產(chǎn)生的熱能通過光-熱彈性轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為QTF的機(jī)械振動(dòng)（此振動(dòng)也會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生聲波），并因其共振特性而增強(qiáng)了振動(dòng)。

LITS 傳感器系統(tǒng)與可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）的傳感器系統(tǒng)相似，只是商用光電探測(cè)器被QTF取代。因此，與傳統(tǒng)的PAS/QEPAS傳感器相比，LITS傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，很好地避免了元器件腐蝕老化的問題。與傳統(tǒng)的商業(yè)光電探測(cè)器TDLAS技術(shù)相比，LITS技術(shù)具有成本低、體積小、靈敏度高、大功率動(dòng)態(tài)范圍和能通過增加激發(fā)激光功率來增強(qiáng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，特別是它可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)紅外光譜區(qū)域痕量氣體檢測(cè)，甚至太赫茲光譜區(qū)域，不需要任何冷卻系統(tǒng)。

近日，來自華中科技大學(xué)和山西大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一種基于全光學(xué)光致熱聲光譜（All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy, AO-LITS）的氣體傳感技術(shù)，采用了商用標(biāo)準(zhǔn)QTF作為光熱探測(cè)器，QTF的振動(dòng)通過高靈敏度光纖法（Fabry-Pérot FP interferometry, FPI）技術(shù)測(cè)量，而不是傳統(tǒng) LITS 中的壓電檢測(cè)。為了提高傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，研究組采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)基于QTF 的集成光纖FPI模塊。將雙波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)與橢圓擬合差分交叉乘法算法應(yīng)用于所開發(fā)的AO-LITS傳感器系統(tǒng)中。該全光檢測(cè)方案具有靈敏度高、可遠(yuǎn)程檢測(cè)和抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目成果《All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing》在2022年九月發(fā)表于《Photoacoustics》。

圖1 基于QTF的集成光纖FPI模塊(a)三維原理圖(b)照片。

基于AO-LITS技術(shù)，研究組開發(fā)了一個(gè)硫化氫傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量。傳感器采用一個(gè)1576.29 nm的分布式反饋（distributed feedback, DFB）激光器作為硫化氫檢測(cè)的激發(fā)光源。昕虹光電為該項(xiàng)目提供了一個(gè)有效光路長(zhǎng)度為3.3 m的赫里奧特多通氣體池以增強(qiáng)對(duì)硫化氫氣體的光吸收。相比于傳統(tǒng)基于壓電探測(cè)的LITS傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)將探測(cè)靈敏度提高了3倍,在大氣壓下對(duì)硫化氫的檢測(cè)限達(dá)到了422 ppb。由于QTF不需要與目標(biāo)氣體接觸，AO-LITS可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，并避免氣體氣流噪聲對(duì)高靈敏度光學(xué)檢測(cè)的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，基于AO-LITS的硫化氫氣體傳感器對(duì)長(zhǎng)期檢測(cè)具有良好的穩(wěn)定性。

圖2  AO-LITS傳感器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置

參考文獻(xiàn)：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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