提出一种新型椭球形共振光声池, 利用有限元分析软件建立其声学特征模型, 对光声池的共振频率、谐振腔内的声压分布进行仿真。根据乙炔 (C2H2) 气体在近红外区吸收谱线的分布, 选取 1532.83 nm 作为 C2H2 的测量谱线, 采用可调谐分布式反馈 (DFB) 半导体激光器作为光源。利用法布里-珀罗(F-P)光纤声波传感器对声压信号进行采集, 开展对椭球形光声池性能指标的测试。实验结果表明: 椭球形光声池信噪比为 34, 检测极限灵敏度达到 1.47×10-9, 品质因数为 45.5。由此得出, 该结构提高了系统的灵敏度, 使光声池的性能有了明显提升, 有助于提高光声光谱法痕量气体的检测灵敏度。

声传感器和光声池是激光光声光谱技术的核心组件。结合光纤迈克耳孙干涉仪、相位载波解调技术和纵向共振光声池,提出一种共光声池腔的芯轴型空气衬底光纤麦克风。光纤麦克风中的铜毛细管被用作光声池的共振腔,传感臂由10 m长的超细光纤缠绕在铜毛细管上构成,参考臂为5 cm长的短臂且已进行隔声隔振处理。基于结构共振频率稳定的特点,优化光纤麦克风的共振频率,使其略低于光声池的一阶纵向共振频率,以实现准双共振。实验结果表明,麦克风在共振频率为1443 Hz处的最小可检测声压为0.69 μPa/Hz 1/2。在1 kHz处,声压电压响应线性度为99.98%(5 mPa~3 Pa),动态范围为112.52 dB。该光纤麦克风适用于高温、易爆和高电磁干扰等特殊环境下痕量气体的高精度检测。

实时在线气体检测在石油化工、 现代工业、 环境、 医学诊断、 智能电网中变压器在线监测等领域具有非常重要的意义。 光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应的气体检测技术, 由于其具有检测灵敏度高、 选择性强、 分辨率高、 检测范围宽、 可实时在线监测等优点, 已被广泛用于痕量气体检测。 在光声光谱系统中, 光声池是最重要的组成部分, 其性能的好坏对于系统检测灵敏度和分辨率有着直接的影响。 近些年来, 光声光谱气体检测系统主要采用标准圆柱形共振光声池, 系统的检测灵敏度和分辨率主要由微音器决定。 为了进一步提高光声光谱法对于痕量气体检测的灵敏度和分辨率, 对光声池进行深入研究分析, 提出一种高灵敏度的椭球形共振光声池。 结合气体热动力学和声学理论, 利用COMSOL软件中的热声学模块分别对椭球形光声池和传统的圆柱形光声池进行了有限元方法分析, 建立了其声学特征模型, 并且对光声池的共振频率, 光声池谐振腔内的声压分布情况以及声压级大小等声学特性进行了仿真研究。 模拟了椭球形光声池的共振频率和声压信号大小与光声池谐振腔长度和中心半径之间的关系, 从而优化了光声池的尺寸结构, 选取了长度为100 mm, 中心半径为5 mm的椭球形光声池最优结构, 与相同外部尺寸下的传统圆柱形光声池进行了对比分析。 结果表明, 椭球形光声池的共振频率为1 340 Hz, 处于共振状态时产生的声压信号达到了5.01×10-5 Pa, 声压级为11 dB, 品质因数为70; 圆柱形光声池共振频率为1 650 Hz, 共振状态下产生的声压信号大小为5.7×10-6 Pa, 声压级为-13.9 dB, 品质因数为66。 对比可知, 椭球形光声池的共振频率明显小于圆柱形光声池, 且最大声压信号是同尺寸圆柱形共振光声池的8.78倍, 声压级提高了24.9 dB。 由此可知, 设计的椭球形共振光声池体积小, 声压信号大, 检测灵敏度高, 光声池的性能有了明显提升, 对于光声光谱法用于微痕量气体检测的灵敏度提高有着重要意义。

为了快速准确测量共振光声池的谐振频率,采用基于共振声谱的光声池谐振频率测量法,搭建了光声光谱检测系统和共振声谱检测系统。对影响测量准确性的因素进行了实验分析。在不同气体体积分数的情况下,分别采用共振声谱法和光声信号强度标定法测量光声池的谐振频率。结果表明,共振声谱法测量的光声池共振频率与声信号激励电压、声源传播距离及角度无关；在5种不同体积分数的乙炔气体条件下,所测得的光声池谐振频率与通过光声信号强度法的结果最大偏差为1.1Hz,可认为两种方法测量结果具有一致性。该方法简单快速、可靠和准确,可用于确定光声池谐振频率。

研制了基于可调谐掺Er光纤激光器的共振式光声光谱乙炔气体检测系统， 结合波长调制和锁相放大器的二次谐波信号检测技术， 有效地消除了光声池窗片和池壁吸收入射光而引起的背景噪声， 通过对该系统的光学、 声学和电子检测系统的优化， 实现了低浓度乙炔气体的流动式检测。 实验结果证明, 当气体浓度较低时， 二次谐波振幅与气体浓度成正比, 其线性响应相关度达到0.999 53。 在常温常压和3.5 mW平均光功率以及100 ms锁相积分时间条件下， 乙炔气体的极限检测灵敏度达到了0.3 ppm(1 ppm=1 μg·mL-1)(SNR=1时)， 系统用可调谐掺Er光纤激光器代替半导体激光器作光源， 降低了成本， 为发展低成本、 实用、 便携式微量气体光谱检测仪器奠定了基础。 若采用多光程光声池， 或者采用EDFA提高激光功率， 可大幅度提高信噪比， 将极限检测灵敏度提高至ppb(1 ppb=1 ng·mL-1)量级。