基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。 与其他光谱气体检测方法相比, 光声气体检测技术主要具有结构简单、 探测器不受波长限制、 零背景噪声、 成本低等优点。 它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。 作为光声光谱气体检测系统的核心部件, 光声池的性能将直接影响系统的检测结果。 因此, 光声池的优化设计已成为该领域的研究热点。 当前, 针对光声池的优化主要是基于系统静态条件, 关于光声池腔内气体流动性能及动态时间响应的研究报道较少。 由于光声池在动态检测条件下的气体扰动及系统检测噪声具有一定影响, 因而对于光声池的相关参数进行进一步的探索与优化, 改善光声池腔内气体流场分布、 动压特性及其气体浓度平衡时间对于提升光声光谱的气体检测性能具有重要意义。 为此, 以传统的圆柱形光声池为基础, 基于三维流场数值模拟方法建立了光声池腔内流场的稳态和瞬态模拟模型, 计算获得了光声池腔内气体流场分布及其气体浓度平衡响应规律, 结果表明, 减少光声池腔内气流流速及优化光声池中的过渡结构将会改善气流引发的动压波动以及缩短腔内气体浓度调节时间。 以光声池的缓冲腔与谐振腔过渡处圆角、 辅助孔数量、 辅助孔半径、 辅助孔中心圆半径以及进气速度5个参数为因素, 以谐振腔轴线中点处动压值和气体浓度调节时间为考察指标, 采用数值模拟和正交试验设计与熵权法相结合的方法, 获得了光声池的相关参数对动压值影响的主次影响顺序为: 辅助孔半径>辅助孔数>进气速度>过渡圆角>辅助孔中心圆半径; 对调节时间影响的主次顺序依次为: 进气速度>辅助孔半径>辅助孔数=辅助孔中心圆半径>过渡圆角, 为平衡指标的影响, 将多目标参数优化问题转化成单目标优化问题, 客观地给出动压值和调节时间的权重分别为0.49、 0.51。 在研究参数范围内, 获得了其最佳参数组合为: 缓冲腔与谐振腔过渡处圆角为3.0 mm、 辅助孔数量为8个、 辅助孔半径为3.5 mm、 辅助孔中心圆半径为22.5 mm、 进气速度为0.06 m·s-1, 优化后的光声池谐振腔轴线中点处动压值为9.4×10-4 Pa, 腔内气体浓度调节时间为141 s, 相较于优化前的指标, 动压值相对降低了88.1%, 调节时间相对降低了17.5%, 两项指标均得到优化提升, 优化效果较为理想。 研究方法与结论可为光声池的优化设计和拓展研究提供重要参考。

随着现代化工业的高速发展, 痕量气体检测技术的重要性不言而喻, 目前痕量气体检测技术已广泛应用于环保、 化学工业、 生物生态以及医学检测等各个领域, 光声光谱技术由于它具有零背景检测、 探测器不受波长限制、 光学元件简单, 系统调节及维护方便等优点, 现已成为光谱学领域中非常重要的检测手段, 近些年来, 随着微弱信号检测与激光器技术的快速发展, 光声光谱技术也得到更多学者的关注与研究, 所取得的成果为光声光谱检测性能的提升提供了重要的设计参考, 然而, 当前文献报道较少地涉及到光声池的优化工作, 尤其是对光声池的形状构造等问题鲜有深入探索。 光声光谱检测系统中最核心的部件之一即为光声池, 它是承载待测气体的容腔以及产生光声耦合作用的场所, 其形状构型在很大程度影响着光-声之间的耦合状况, 以致于影响整机系统的信噪比与灵敏性, 因而探索设计光声池的形状具有重要的理论研究意义及工程应用价值。 为此, 基于传统圆柱形光声池的设计基础, 探索研究了纵向截面为圆形、 正三角形、 椭圆等8种典型形状的光声池结构模型, 并对其声场特性进行了仿真分析, 借助3D打印技术制作了各类光声池实物, 通过实验对比分析了8种光声池的性能指标, 在限定光声池纵向长度及纵向截面周长相等的条件下, 仿真结果表明, 8种形状各异的光声池工作纵向声学模态振型均相同, 实验结果表明, 8种光声池的工作声学共振频率值基本相同, 受其激光光源与腔内声学模态耦合的影响, 其品质因素从大到小依次为: 圆形、 短轴椭圆、 正五边形、 正方形、 大圆轴线形、 正三角形、 小圆轴线形、 长轴椭圆, 池常数从大到小依次为: 圆形、 长轴椭圆、 正五边形、 正方形、 大圆轴线形、 小圆轴线形、 正三角形、 短轴椭圆, 整体结果显示, 对于光声光谱光声池的设计, 在没有特殊要求的情况下, 光声池应优先为圆形形状, 研究过程与结果为光声光谱中光声池的设计与优化探索提供了借鉴与参考。

离轴积分腔输出光谱技术是痕量气体检测的重要方法, 这种测量方法的检测限容易受到残余腔模式噪声和背景噪声的影响。 通过注入射频白噪声到激光器的调制电流中, 以减小离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式噪声, 同时利用波长调制技术抑制了背景信号的影响, 进一步提高了基于离轴积分腔输出光谱技术的甲烷传感系统的信噪比。 首先, 详细研究了不同功率射频白噪声对空气中甲烷吸收光谱的影响, 并对吸收谱的线宽进行了分析, 计算出了不同功率噪声扰动下的吸收谱对应的最佳调制幅度。 随后, 研究了不同功率的射频白噪声对2f信号的影响。 结果表明, 随着扰动噪声功率的增加, 基线噪声水平和2f信号幅值同时减小。 对几组2f信号的信噪比进行分析, 确定了射频白噪声提高系统信噪比的最佳功率为-25 dBm。 最后, 研究了0.05~2.2×10-6浓度范围内, 甲烷浓度与2f信号之间的对应关系, 结果表明: 在甲烷浓度小于1.0×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间的线性度为0.999 6; 在甲烷浓度为0.1~2.2×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间呈曲线关系, 二阶多项式拟合的相关度为0.999 89。 此外, 对浓度为2.2×10-6的甲烷气体进行了长时间的测量, 并利用Allan方差对系统的稳定性进行了分析, 分析结果表明系统的最佳积分时间为1 250 s, 系统的可探测极限约为1.2×10-9。 最后, 使用建立的甲烷气体探测系统, 对大气环境中的甲烷气体浓度进行了长达两个昼夜的检测, 结果显示甲烷浓度的昼夜变化规律是昼降夜升, 浓度昼夜波动范围在2.02~2.3×10-6范围内, 平均浓度为2.14×10-6。 本研究为离轴积分腔输出光谱技术在痕量气体测量方面的应用提供了一定的参考, 对高精密的原位痕量气体测量仪器的研发具有重要的指导价值。

H2O和CH4在气候变化过程中起着关键作用, 实时在线测量H2O和CH4浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一。 利用1.653 μm可调谐半导体激光器作光源, 结合反射率为99.997 6%的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置, 开展了H2O和CH4的高灵敏度测量研究。 离轴腔增强系统的有效吸收光程通过吸收面积-浓度关系法来标定, 吸收面积-浓度关系法的可行性首先通过已知光程的光学吸收池进行验证, 确定有效后用于标定离轴腔增强系统的有效光程。 结果表明, 基长为21 cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8 626.3 m。 当谐振腔内压力为5.06 kPa时, 利用7组不同浓度的CH4标准气体(0.2～1.4 μmol·mol-1)对系统进行了线性响应标定测试, 得到了CH4吸收的积分面积与浓度拟合关系曲线。 系统的稳定性、 可实现的最小探测灵敏度等信息通过Allan方差进行分析, 结果表明系统对探测CH4的最佳平均时间为100 s, 最小可探测浓度极限为7.5 nmol·mol-1; 系统对探测H2O的最佳平均时间为200 s, 最小可探测浓度极限为55 μmol·mol-1。 对提高系统测量精度的数据处理方法也进行了分析研究, 结果表明相比于多次平均方法, Kalman滤波能显著的提高测量精度, 而且缩短了系统的响应时间。 最后, 利用搭建的离轴腔增强实验系统结合Kalman滤波数据处理方法对实际大气中CH4和H2O浓度进行了连续两天的测量, CH4每天平均的浓度分别为2.1和2.08 μmol·mol-1, H2O每天平均的浓度分别为11 515.6和11 628.6 μmol·mol-1, 由此可知建立的离轴腔增强吸收光谱装置能够用于大气CH4和H2O的测量, 另外建立的系统也可用于相关工业领域的高灵敏度CH4和H2O监测。

二氧化碳作为大气中重要的温室气体, 与气候变化和人类活动密切相关, 因此对其浓度的探测具有重要意义。 利用近红外可调谐二极管激光器结合自主设计的便携式小型化柱面镜光学多通吸收池, 实现了二氧化碳气体的高灵敏探测。 通过Matlab编写光线传输矩阵, 优化设计了基于柱面镜的光学多通吸收池, 相比于传统Herriott型多通池, 具有腔镜利用面积高、 在相同体积内可实现有效光程长等特点, 在物理基长为15 cm的情况下, 实现了14 m的有效光程。 实验中使用中心波长为1.57 μm的DFB二极管激光器, 采用直接吸收光谱方法对CO2气体进行了探测研究, 并用Allan方差对系统性能进行了分析。 结果表明, 在平均时间为5 s时, 系统的探测灵敏度为33.1 μL·L-1, 平均时间为235 s时, 系统的探测灵敏度可达到5.3 μL·L-1。 此外, 利用该系统实现了大气中CO2的探测, 得到大气中的CO2浓度为383.4 μL·L-1。 基于柱面镜多通池搭建的可调谐激光吸收光谱(TDLAS)系统, 结合了柱面镜多通池可在小体积内实现长光程和可调谐激光吸收光谱技术高灵敏度、 高分辨率、 快速响应的优点, 大大减小了系统体积, 提高了系统探测灵敏度, 在气体探测领域有广泛的应用。

对石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统中常用的石英音叉进行了有限元模态计算, 获得石英音叉前6阶振型与模态频率, 认知了第4阶对称摆动振型为有效振动, 利用单因素法分析了石英音叉的音臂长度l1、 音臂宽度w1、 音臂厚度t、 音臂切角θ、 音臂圆孔直径d及音臂圆孔高度h对低阶有效共振频率（Fre）的影响, 敏感度依次为: l1> w1>d>θ>t>h, 考虑实际设计情形, 筛选出了l1, w1, d与h四个石英音叉设计变量, 采用Box-Behnken实验设计方案与RSM(response surface methodology)方法, 以Fre为函数目标, 建立l1, w1, d与h的二次回归响应面模型, 得到了参数之间的交互作用, 利用Design-Expert软件对响应面模型进行设计参数反求, 结果表明, 在15 000 Hz≤Fre≤25 000 Hz计算区域内误差较小, 基本满足QEPAS系统的计算需求, 所提出的研究与设计方法具有一定通用性, 可为QEPAS系统中石英音叉结构参数设计提供参考。