以输出波长为1578 nm的分布式反馈半导体激光器作为激发光源,结合波长调制及二次谐波技术对H2S痕量气体进行基于石英增强光声光谱技术(QEPAS)的检测研究。采用有限元分析法对QEPAS中常用的石英音叉进行仿真计算,得到石英音叉的前6阶模态振型与共振频率。实验中,添加了长为4 mm、内径为0.7 mm的声波微共振腔,优化了跨阻放大电路,在最优实验条件下对H2S气体进行检测,检测结果表明,QEPAS系统的二次谐波信号与H2S浓度具有良好的线性关系,获得的探测极限为19.3×10 -6。

石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术, 具有系统体积小、 价格低廉、 探测灵敏度高等优点。 乙炔(C2H2)是一种化学性质活泼的有毒气体, 对它进行高灵敏度检测在变压器故障诊断、 环境监测等领域有着重要的意义, 基于此, 采用QEPAS技术对C2H2微量气体展开高灵敏度检测研究。 采用输出波长为1.53 μm的连续波分布反馈半导体激光器作为激发光源。 为了提高信噪比和简化数据处理过程, QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。 为了提高QEPAS系统信号幅值, 相比于常见的共振频率为32.768 kHz的石英音叉, 采用了共振频率较低的30.72 kHz石英音叉作为声波传导器, 同时还优化了石英音叉与激光束的空间位置、 激光波长调制深度, 并添加了声波微共振腔, 选择的微共振腔长度为4 mm、 内径为0.5 mm, 最终获得了2.7 ppm的优异检测极限, 归一化噪声等效吸收系数为1.3×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。

HCl是一种有毒有害气体, 对其高灵敏度探测具有非常重要的意义, 然而到目前为止, 采用激光光谱的手段对其探测的研究报道很少。 石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术, 具有系统体积小、 价格低廉、 探测灵敏度高等优点。 以5 000 ppm HCl∶N2混合气作为待测目标, 采用输出波长为1 742.38 nm的分布反馈连续波单纵模半导体激光器, 开展对基于QEPAS技术的HCl高灵敏度探测研究。 为了提高信噪比和简化数据处理过程, QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。 研究中, 首先对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了讨论, 选择了“共轴”形式的声波微共振腔, 并对其尺寸进行了优化, 选择的微共振管长度为4 mm、 内径为0.5 mm。 实验中研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响, 当QEPAS系统积分时间为1 s、 激光波长调制深度为0.23 cm-1时, 获得了815 ppb的优异检测极限, 归一化噪声等效吸收系数为7.41×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。 在后续的实验中, 可在待测HCl气体中加入水汽分子, 提高HCl分子的热弛豫速率, 进一步提高HCl-QEPAS传感器系统的信号强度。