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COL 2022主编推荐奖 | 基于光纤耦合多通池的,光致热弹光谱一氧化碳高灵敏检测

发布:wyxfjh阅读:551时间:2023-11-23 11:00:00

      近期,Chinese Optics Letters2022年度主编推荐奖重磅发布,由Chinese Optics Letters主编团队联合推荐,两篇原创论文获此殊荣!

      本次为大家介绍来自哈尔滨工业大学马欲飞教授团队Sensitive carbon monoxide detection based on light-induced thermoelastic spectroscopy with a fiber-coupled multipass cell [Invited]

Chinese Optics Letters副主编冷雨欣研究员为马欲飞教授颁发主编推荐奖

      石英音叉凭借其高灵敏度、宽光谱响应、小尺寸和强抗噪声能力等优势,逐渐成为光谱检测技术中常利用的元件。以石英音叉作为探测元件的石英增强光声光谱(Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy, QEPAS)和光致热弹光谱(Light-induced Thermoelastic Spectroscopy, LITES)分别于2002年和2018年被美国莱斯大学Frank Tittel教授和哈尔滨工业大学马欲飞教授课题组分别首次报道。其中,QEPAS要求将石英音叉放置在被测气体环境中,这限制了该技术在燃烧场诊断和腐蚀性气体测量等一些特定领域的应用。相比之下,LITES技术无需将石英音叉放置在待测环境中,可实现非接触式测量,克服了QEPAS技术的局限性。

      在LITES技术中,当被气体吸收后的激光照射至石英音叉表面时,在光致热弹效应的作用下,石英晶体吸收激光能量并将其转化为热能,从而促使石英音叉产生机械振动。若激光调制频率与石英音叉的谐振频率一致,石英音叉将产生最强的机械振动。值得注意的是,在此过程中激光强度的变化量决定了石英音叉热弹性信号的强弱。因此,通常采用多通池技术或定制石英音叉等方式来增强石英音叉的光致热弹效应。

      多通池内安装了具有高反射率的凹面镜,可以实现光束的多次反射,从而增加LITES技术中的光学吸收长度。传统多通池通常需要光束以特定角度入射才能达到理想的光学吸收长度,这大大增加了光学对准的难度。同时,传统多通池使用了大量光学元件,降低了传感器系统的稳定性。此外,光学窗口的存在也会使系统更容易受到干涉的影响。为了解决上述问题,哈尔滨工业大学马欲飞教授团队提出了一种基于光纤耦合多通池的LITES传感检测方法,并将其应用于一氧化碳浓度检测中。在该技术中,光纤耦合多通池的外部光路均采用光纤传输,消除了传统多通池由振动等不稳定因素造成的光路偏差,降低了光学干涉,使系统更易优化调整。

图1 全光纤LITES传感系统示意图。MPC:多通道池;QTF:石英音叉;Σ:加法器;PC:个人电脑;FC:光纤准直器

      图1为基于光纤耦合多通池搭建的LITES传感器的实验系统。该系统选择真空下谐振频率和等效电阻分别为32.768 kHz和114 kΩ的石英音叉作为探测元件,选择1.57 µm的分布式反馈二极管激光器作为激发源。从激光器尾纤发射出的光束通过光纤连接器传输至光纤耦合多通池中,穿过光学长度为40 m的多通池后聚焦在石英音叉的叉指根部。吸收线处激光器的输出功率为9.34 mW,经过多通池后激光功率下降至1.21 mW。利用光束质量分析仪对激光光束的轮廓进行捕获,结果表明,激光光束经过光纤耦合多通池前后的光束轮廓均呈现高斯分布。

      为了研究基于光纤耦合多通池的LITES传感器对一氧化碳浓度的线性响应,团队采集了不同浓度对应的传感器2f信号。图2(a)和(b)展示了不同浓度的2f信号以及2f信号峰值与一氧化碳浓度的函数关系。浓度与峰值线性拟合的相关系数R2约0.99,表明报道的LITES传感器对一氧化碳浓度具有良好的线性响应。

图2 一氧化碳LITES传感系统:(a) 不同浓度的 2f 信号;(b) 2f 信号峰值与一氧化碳浓度之间的线性关系

      为进一步研究基于光纤耦合多通池的一氧化碳LITES传感器最佳检测性能和系统稳定性,在纯氮气条件下对系统的2f峰值进行了长时间监测。图3为艾伦偏差分析结果,可见该LITES 传感器在积分时间为1 s时的最小检测极限为96 ppm,当积分时间延长至200 s时,最小检测极限改善至9 ppm。

图3 一氧化碳LITES 传感器的艾伦偏差分析

      该团队所提出的基于光纤耦合多通池的LITES传感器对不同浓度一氧化碳气体展现出了良好的线性响应特性。凭借光纤耦合的高稳定性和强抗干扰特性,基于光纤耦合多通池的LITES传感器在工业测量和环境监测领域具有广阔的应用前景。

 

作者简介

马欲飞

哈尔滨工业大学

马欲飞,哈尔滨工业大学航天学院教授、博士生导师,国家优秀青年基金获得者、黑龙江省首批优秀青年基金获得者、哈尔滨工业大学青年拔尖人才、哈尔滨工业大学青年科学家工作室学术带头人、2021年度和2022年度爱思唯尔中国高被引学者。从事激光传感和激光技术研究,担任PhotoacousticsOptics ExpressOptical EngineeringMicrowave and Optical Technology LettersChinese Optics Letters等8种期刊主编/副主编/编委,以第一作者/通信作者发表1区论文70余篇(其中ESI热点论文18篇、ESI高被引论文24篇)。

 

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编辑 | 木拉提·满苏尔