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。

动脉粥样硬化与各类心血管疾病密切相关,动脉粥样硬化会直接导致动脉血管壁变硬,产生一系列血管生理功能异常,诱发各类心血管疾病。检测动脉粥样硬化特征在心血管医学方面具有十分重要的意义。为了检验光声平台检测活体组织动脉粥样硬化的能力以及探索光声频谱分析在外周血管检测中的应用前景,本课题组开展了仿真和在体动物实验。采用K-wave仿真从理论上证明了光声频谱分析的可行性。本课题组建立了高脂饲料喂养的动脉粥样硬化小鼠模型,搭建了一套光声检测系统,收集了相应的信号数据进行光声频谱分析。动脉粥样硬化模型小鼠和正常小鼠光声信号频谱数据经方差分析后显著分离,实验数据的频谱分析结果与K-wave理论分析结果具有较好的一致性。频谱分析技术在检测小动脉血管粥样硬化方面具有一定的潜力,光声频谱分析技术有望成为小动脉血管硬化检测的有效手段之一。

在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。

光声信号强度与光功率成正比, 然而, 高功率激光光源存在功耗高、 驱动控制电路复杂、 低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点, 此类光源多集中在>6 μm波段, 难以实现对基频吸收带位于2～6 μm波段的分子进行有效探测。 而且, 基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大, 不能满足多点连续移动监测工作的需要。 利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、 带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法, 在3～4 μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量。 使用的ICL靶向乙烷(C2H6)基频吸收带的强吸收线2 996.88 cm-1。 通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法, 结合波长调制光谱技术, 实现了高灵敏检测, 同时, 有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程。 首先, 结合系统原理结构, 顺次介绍了设计方案以及光、 电等模块的设计细节。 分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况, 以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响, 最终确定系统工作气压为200 Torr。 然后, 通过对100～1 000 nmol·mol-1共6种浓度C2H6进行单周期光谱扫描测试分析, 推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1。 对上述各浓度样品分别进行~10 min二次谐波(2f)信号峰值提取测试, 系统线性性能良好, 相关度为0.999 65, 同时, 明确了气体浓度与2f信号峰值的对应关系。 最后, 通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为~0.347 V, 由此估算信噪比和系统灵敏度分别为~28.56和~40 nmol·mol-1。 介绍的新型中红外C2H6传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量, 而且, 使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积, 弥补了使用商用仪器占用体积大的不足, 为将来实现小型化、 移动式测量的目标奠定了一定基础。 此外, 对于功率消耗无限制的其他应用, 可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度, 并应用于更多场景。

在光声光谱测量中，常用光学斩波器对光源输出信号进行频率调制，但光学斩波器的使用会不可避免地增加系统噪声及系统成本。基于分布反馈激光器的可调谐特性，提出激光器双波长调制方法。利用光声光谱实验平台，结合光学斩波器调制激光系统进行检测甲烷气体灵敏度的实验。结果表明，光学斩波器对甲烷气体的检测灵敏度为52.3×10-6，而双波长调制激光系统的检测灵敏度可达40.2×10-6，该调制方法避免了光学斩波器的使用，减小了系统噪声，提高了系统灵敏度。

利用基于压电效应的光声技术, 研究了ITO薄膜在可见光波段的吸收特性, 并与分光型光学薄膜分析系统NKD8000测得的数据进行了比较, 得到了一致性较好的结果。实验证实: 在可见光波段, 该ITO薄膜的吸收率随波长呈非线性变化, 在450nm附近吸收最强, 随着波长的增加逐渐减小, 在514.7nm处接近于零, 之后又缓慢增大。

为了研究药剂配比对石墨/硝酸钾反应性光声特性的影响, 采用动态光声测试技术和差示扫描量热技术进行了研究, 在波长1.06μm、脉冲宽度为54μs的Nd∶YAG脉冲激光作用下, 同一配比的石墨/硝酸钾体系中, 激光能量越大光声信号越强; 不同配比药剂在同一激光能量下光声强度不同。石墨/硝酸钾质量比为25/75(3#样品)时, 光声信号最强; 为30/70(4#样品)时, 光声信号较弱。考察药剂达到光声信号峰值所用时间, 发现同一样品随着激光能量增大都呈现先增大后减小的趋势。结果表明, C/KNO3的配比不同, 化学反应不同, 热分析结果与光声实验结果可以相互印证。

针对选用分布反馈激光二极管(DFB LD)作为激励光源的光声气体检测系统，首先分析了温度和注入电流 对激光稳定性(包括激射波长和输出光功率)的影响。然后提出了一种蝶形封装的DFB LD在光声甲烷检测系 统中的应用方案。实验结果表明，该方案的温控系统和波长调制驱动模式可以产生稳定可靠的光声信号，具 有一定的参考价值。最后根据现有蝶形DFB LD封装在光声气体检测系统中后存在的缺点，探讨了激光耦合 输出方式的改进构想。

为了快速无损地鉴别物质的成分,提高光声光谱(PAS)检测多组分固体粉末物的能力,对光声光谱固体颗粒物检测系统和光声信号提取分析方法进行了研究。根据R-G 理论,优化设计了基于传声器的非共振圆形光声池。组建了由大功率氙灯、斩波器、锁相放大器、光栅单色仪、数据采集系统和光声池等主要部件构成的系统。采用高灵敏度的声探测器和透过率高的光窗,使用低噪声高信噪比(SNR)放大电路,增强光声信号的强度。实验证实,检测系统性能稳定可靠。采用小波分析提高光声信号分析能力。将硝基化合物粉末和硫酸铜粉末混合物光声信号与两种物质各自的光声信号分析对比,方便准确快速地判断两种物质的存在,为物质鉴别提供依据。

为了解决紫外光探测器的光谱响应难以准确测量的问题，采用光声光谱的方法，以自制的高灵敏度光声探测器为标准探测器，建立了一套紫外光探测器的光谱响应测量系统，分别进行了理论分析和实验论证，取得了两种紫外光探测器的光谱响应的数据。实验结果表明，该测量系统结构简单、工作可靠、重复性好，在250nm～450nm范围内，能较准确地测量紫外光探测器的光谱响应曲线。这一结果对解决紫外光探测器的光谱响应难以准确测量的问题是有帮助的；该系统也适用于可见光探测器的光谱响应的测量和固体样品的光声光谱分析。