1 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
光致热弹光谱（LITES）技术是近年来发展迅速的一种新颖痕量气体检测技术，该技术以体积小巧、成本低廉且无波长选择性的音叉式石英晶振替代成本高、探测波段窄的光电探测器作为光电换能器，通过探测激光与目标气体相互作用后光强的变化量实现目标气体浓度的反演。LITES技术具有探测灵敏度高、响应时间短、无波长选择性等优点。本文以下水道中的硫化氢气体为测量目标，开展了基于LITES技术的痕量气体探测系统的研究。以输出波长为1.582 μm的近红外连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源，采用激光器波长调制和二次谐波探测技术，首先研究了激光波长调制深度对LITES系统产生的信号幅度的影响，而后详细研究了气体压强及环境压强对装置性能的影响。此外，为进一步提升装置探测灵敏度，有效光程长度为14.5 m的Herriott多通池被装配在激光器和作为光电探测器的音叉式石英晶振之间，从而使传感器在积分时间为300 ms时，获得4.87×10-7的最低探测极限，当积分时间延长至52 s时其探测灵敏度可达7.78×10-8。在完成装置各项参数优化之后开展了下水道中硫化氢气体的实测研究，结果显示，该系统完全可满足下水道臭气监测分析等领域的应用需求。
光致热弹光谱 音叉式石英晶振 硫化氢 气体传感 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0330002
哈尔滨工业大学航天学院可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
首先，利用有限元分析方法，仿真模拟了石英音叉的应力和表面电荷分布，设计并加工了一种T字头石英音叉。经过实测，此T字头石英音叉的共振频率为8930.93 Hz，Q值为11164，叉指间距为1.73 mm，与目前广泛应用的商用石英音叉相比，T字头石英音叉的共振频率降低了73%，品质因数提高了22%。然后，通过测量水汽对其传感性能进行验证，发现相比于商用石英音叉，基于T字头石英音叉的石英增强光声光谱（QEPAS）系统信噪比提升了60.65%。最后，给出了石英音叉下一步优化的方向。
遥感 石英音叉 石英增强光声光谱 有限元分析 品质因数 信噪比 光学学报
2023, 43(18): 1899910
Author Affiliations
Abstract
National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
A sensor based on light-induced thermoelastic spectroscopy (LITES) with a fiber-coupled multipass cell was demonstrated for carbon monoxide (CO) detection. The fiber-coupled structure has the merits of reducing optical interference and difficulty in optical alignment and increasing system robustness. A 1.57 µm continuous wave distributed feedback diode laser was used as the excitation source. A minimum detection limit of 9 ppm was obtained, and the calculated normalized noise equivalent absorption coefficient was . The reported CO-LITES sensor showed excellent linear concentration response and system stability.
light-induced thermoelastic spectroscopy quartz tuning fork CO concentration Chinese Optics Letters
2022, 20(3): 031201
1 暨南大学理工学院光电工程系, 广东 广州 510632
2 暨南大学广东省光纤传感与通信技术重点实验室, 广东 广州 510632
石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种气体检测技术,具有灵敏度高、设备体积小、对环境噪声免疫等优点。本课题组设计了一种光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块,并基于气体热动力学和一维声学谐振腔理论,利用COMSOL软件对探测模块的声压分布及声压级进行了研究;然后设计并加工了光机电一体化探测模块,将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大模块集成一体,使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点。采用中心波长为2 μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO2进行了探测,结果表明,在1 s的积分时间下获得了3.7×10 -5的探测极限。通过Allan方差分析发现,积分时间为1123 s时,系统的探测极限可以达到1.34×10 -6。采用基于该模块的QEPAS系统可以实现对室内CO2浓度的实时监测。
光谱学 石英增强光声光谱 光声光谱 音叉式石英晶振 光声探测模块 光学学报
2021, 41(20): 2030001
1 安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241002
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
4 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033
搭建了一套基于频分复用的石英音叉增强型光声光谱双组分气体传感系统，实现了CH4和CO2的高灵敏探测。以中心波长分别为1654 nm和2004 nm的两支分布式反馈(DFB)激光器作为激发光源，利用函数发生器将工作在石英音叉共振频率附近的不同频率正弦调制电流分别注入到两支激光器中，同时激发产生了CH4和CO2光声信号，并利用数字锁相放大器对该信号进行解调，得到二次谐波信号，实现CH4及CO2的同时探测。实验结果表明，两种气体的光声信号之间无干扰。在常压下，通过配气系统配置不同浓度的 CH4和CO2 样品，开展了CH4和CO2浓度与对应二次谐波信号的关系研究，获得了良好的线性响应结果，线性相关系数均大于0.994。对体积分数为500×10－6的CH4和体积分数为2000×10－6的CO2标准气体进行了长时间连续测量，并利用Allan方差对系统性能进行了评估，结果表明，该系统对CH4和CO2的最低检测限分别为0.58×10－6和1.32 ×10－6，对应的归一化噪声等效吸收系数分别为7.2×10－9 cm－1·W·Hz1/2和9×10－9 cm－1·W·Hz1/2。
光谱学 石英音叉 光声光谱 频分复用 CO2 CH4 光学学报
2021, 41(14): 1430003
西南科技大学 信息工程学院, 四川 绵阳 621010
针对石英增强光声检测系统中石英音叉共振信号的特征及提取要求, 设计了一款六阶切比雪夫有源模拟带通滤波器。根据切比雪夫滤波器理论和Sallen-Key拓扑结构模型完成实际电路的设计, 并通过石英音叉共振特性测试实验对滤波器的性能做出了验证。实验结果表明, 该滤波器能对石英音叉光声信号进行滤波去噪并无失真放大, 其性能指标满足: 通频带宽935 Hz, 波纹0.8 dB, 带外衰减51 dB, 品质因数(Q)值35.09, 能有效抑制环境噪声, 可用于石英增强光声光谱检测领域光声前端信号的处理。
光声检测 石英音叉 带通滤波器 共振特性 带外衰减 photoacoustic detection quartz tuning fork bandpass filter resonance characteristic out-of-band attenuation
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
光声光谱是通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测, 实现样品成分、浓度分析检测的一种光谱传感技术, 是光谱学的一个重要分支。光声光谱除了具有吸收光谱的高选择性、高灵敏度外, 还具有信号只跟样品光吸收有关, 不受散射光影响, 零背景,信号与光功率成正比以及信号探测器不受光波长影响等诸多优点。在环境监测、工业过程控制与检测、医学诊断和**危化品检测等领域得到了越来越多的应用, 呈现出快速发展的趋势。除了传统的共振光声光谱技术, 近年来先后出现了悬臂增强型光声光谱、石英音叉谐振增强型光声光谱、多通道光声光谱等各具特色的新技术。对光声光谱气体传感技术的研究进展进行了介绍, 并分析了其应用前景和未来发展趋势。
光声光谱 气体传感 激光 吸收 石英音叉 悬臂 photoacoustic spectroscopy gas sensing laser absorption quartz tuning fork cantilever
