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。

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。

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.

设计了声激励和光激励两种非电学快速测量音叉式石英晶振谐振频率的方法。不同于传统的电激励测量法,在外部激励源激发音 叉振动同时,使用一束探测光把音叉振臂的振动信号转化成光强变化信号,从而避免了在测量中压电效应的使用。在声激励实验中, 对比了不同的声波发生器和有无导声管的激励效果,优化了声波激发位置;在光激励实验中,研究优化了光束激发的位置。

石英增强光声光谱技术(QEPAS)在2002年由Kosterev首次提出,在短短十几年中,这种技术已经被应用在众多 领域中,并取得了很多突破性进展。介绍了石英增强光声光谱传感器近期在技术改进及结构设计等方面的最新 发展与动态,以期对相关领域的研究者提供参考。

研究了音叉式石英晶振的个体尺寸、 安放角度、 探测部位以及外部污染对整个石英增强光声光谱系统(QEPAS)的探测灵敏度影响。 测试了国内外十种不同音, 结果表明顶端为楔形构造的音叉式石英晶振比规则的长方体构造的音叉拥有更高的品质因数(Q值)。 在相同的测试条件下探测水的吸收线(7 306 cm-1)时获得更高的灵敏度, 探测信号的强度相差高达50%。 在研究音叉安放角度对探测信号影响的实验中, 发现音叉的旋转角度与俯仰角度对探测信号的强度几乎没有影响, 但是当光束以角度φ斜入射时, 更多的噪声被带入到测量中。 在正入射的情况下音叉的最佳响应位置在距离音叉底部约3.1 mm。 定性研究了外部杂物污染对音叉频率的影响, 发现随着污染物的附着, 石英音叉的频率会呈现降低的趋势, 提供了一种改变音叉式石英晶振的共振频率的方法, 为石英音叉用于较低调制频率的探测提供了一种理论可能, 这对于石英增强光声光谱技术用于V-T弛豫率较慢的痕量气体检测有重要的意义。

设计了一种基于石英增强光声光谱技术的痕量气体传感器,用来检测非纯氢气中的痕量甲烷浓度。传感器 被配置了一个微型谐振腔,能够在空间上对声波进行限制,用以增强信号幅值。在这种配置和27 kPa的 最优气压下,获得的甲烷探测灵敏度为3.2 ppm(1 s平均时间),相应的归一化噪声等效吸收 系数(1 σ)为2.45×10-8cm-1 W/Hz1/2。