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。

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。

以标准商用石英音叉(QTF)为测声模块的石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种痕量气体检测技术。 标准商用QTF拥有的小体积, 高Q值, 高共振频率的特性使QEPAS技术具有结构紧凑且对环境噪声免疫的特性。 但传统商用QTF狭窄的振臂间距以及较高的共振频率, 使其无法在光源光束质量较差或被测气体弛豫率较低的情况下被很好的应用于QEPAS系统。 为克服上述难题, 非标准商用QTF(f0≠32.7 kHz)被设计制作并越来越多的被装配于QEPAS系统中。 因此, QTF共振频率对QEPAS系统信噪比的影响需要被详细研究。 以水汽为目标气体, 采用二次谐波调制解调技术研究了QTF共振频率对基于QEPAS技术传感器性能的影响。 实验结果表明, QTF共振频率的变化对QEPAS系统的输出信号及噪声均有显著影响且QTF共振频率与QEPAS系统信噪比之间存在反比关系。 上述结论对QEPAS系统中非标准QTF的设计及使用均具有重要的指导价值, 对该类传感器的研发及应用意义重大。

二氧化碳（CO2）是环境大气以及燃烧废气的主要成分, 同时也是重要的化工原料, 对其浓度进行高灵敏度检测在物理、 生物、 化学等众多学科中均有重要的应用。 传统检测方法已经无法满足**科研、 能源化工、 医疗诊断等科技前沿领域中对CO2浓度检测的需求。 石英增强光声光谱（QEPAS）技术是近年来发展迅速的一种激光检测技术, 具有高分辨率、 小体积、 对环境噪声免疫等优点。 基于QEPAS技术探测灵敏度与激励光功率成正比的特性, 以中心波长为1 572 nm的窄线宽分布反馈式半导体激光器为激励光源, 将掺饵光纤放大器（EDFA）与QEPAS技术联用, 提出了功率增强型QEPAS技术, 实现了光声信号的大幅度提高。 此外, 通过波长调制技术、 谐波解调技术以及电调制相消技术的使用, 成功将装置的整体噪声压制在音叉式石英晶振的理论热噪声水平。 激光波长调制深度对装置信号幅度的影响也通过实验在一个标准大气压下进行了研究。 结果显示, 对6 361.25 cm-1处CO2气体吸收线, 当激光功率为1 495 mW, 调制深度为0.33 cm-1, 系统探测带宽为0.833 Hz时, 功率增强型QEPAS装置对CO2的探测灵敏度为3.5 ppm, 归一化等效吸收系数为1.01×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。

为了研究六氟化硫(SF6)气体分子和水汽(H2O)对一氧化碳(CO)气体分子的弛豫率的影响, 建立了一个基于石英增强光声光谱(QEPAS)技术的痕量气体传感器系统。采用1.57 μm的近红外分布式反馈二极管激光器作为激励光源, 并对不同SF6和H2O气体浓度下的CO的光声信号进行对比研究。首先用CO传感器系统探测CO与N2的气体混合物中CO的光声信号, 然后在CO与N2气体混合物中加入不同浓度的SF6气体, 分别探测不同浓度SF6气体下的CO光声信号强度。最后在CO与N2的气体混合物中加入不同浓度H2O, 探测加入H2O后的CO的光声信号强度。实验结果表明随着CO和N2气体混合物中SF6气体浓度的增加, CO的光声信号幅值几乎没有变化, 而在混合物中加入2.5%的H2O后, 发现CO的光声信号提高了约5倍。因此, SF6对CO气体的弛豫率没有明显的影响, 然而H2O的添加能够有效缩短CO气体的弛豫时间。

主要回顾了近几年石英增强光声传感技术的最新研究进展, 展望了未来几年该技术的发展趋势。从石英增强光声传感技术的基本原理开始, 介绍了传统的石英增强光声传感器系统的搭建, 围绕如何降低系统噪声和进一步提高探测灵敏度展开论述。阐述了定制音叉式石英晶振的建模与设计, 详细讨论了如何使用定制的音叉探索新型光谱测声器配置, 使探测灵敏度提高两个数量级, 并介绍了利用这些定制音叉的泛频振动模式实现减小声音共振腔长度的目的和双气体探测功能。最后讨论了该技术的进一步发展方向。

为了进一步提高基于泛频振动的石英增强光声光谱测声器探测灵敏度，在一次泛频振动模式下采用一个比商用标准音叉外形尺寸大5倍的定制大音叉，并对其性能进行优化.通过理论和实验研究得出了音叉与激光的最佳作用位置，发现音叉的一次泛频振动有两个波腹点，且在距离音叉根部8 mm处，音叉振臂的振动幅度最大.微型声音谐振腔由三种不同内径的不锈钢毛细管加工而成，与音叉组成共轴配置石英增强光声光谱光谱测声器，用来进一步增强信号幅值.在最佳微型声音谐振腔配置下，获得了30倍的信号增益因子，有效提高了石英增强光声光谱光谱测声器的探测灵敏度.

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是一种新颖的气体探测技术, 具有体积小、灵敏度高等优点, 是痕量气体检测技术的研究热点。本文对QEPAS技术的基本原理、发展历史及发展现状进行了综述, 并对多种不同结构的QEPAS系统发展情况进行了介绍, 最后对该技术的发展前景进行了展望。