QEPAS系统中石英音叉模态仿真计算与研究

基于石英音叉晶振的实验教学设计研究李劲松【摘要】探讨了将科研研究内容与大学物理学专业中实践教育课程教学内容相结合的实验教学设计研究,为有效推进高校教学改革提出一种新的研究途径.集学、机械和电子学及软件算法一体化,内容难度适中,知识面广阔,能够丰富教学内容和提高教学质量,激发学生学习兴趣,更好地培养学生的动手能力、思维能力和科学创新能力.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2017(030)001【总页数】4页(P43-46)【关键词】课程设计;教学和科研;教学改革【作者】李劲松【作者单位】安徽大学,安徽合肥230601【正文语种】中文【中图分类】O4-332015年5月4日国务院办公厅再次发布《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，该《意见》提出自2015年起全面深化高校创新创业教育改革，争取2017年取得重要进展，形成科学先进、广泛认同、具有中国特色的创新创业教育理念，形成一批可复制可推广的制度成果，普及创新创业教育，实现新一轮大学生创业引领计划预期目标。

实验教育课程作为一种全新的教学方式，具有强烈的实践性、生活性和研究探索性，对深化高校教育改革，培养新世纪复合型创新人才具有重要的意义[1,2]。

因而，在各类高校被广泛的重视和大力推广，且该类课程在各学科培养方案中的比重逐步在提高。

为此，本文以光声光谱为理论背景，开展了将科研项目研究内容与大学物理学专业中实践教育课程教学内容相结合的实验教学设计研究。

光声光谱(Photoacoustic or Optoacoustic Spectroscopy)是以美国著名科学家A.G.Bell于1880年发现的光声效应(Photoacoustic effect)为基础的高灵敏、高动态范围及仪器结构简单的光谱技术，属于光热光谱的范畴。

分子吸收特定波长的光子而被激发到高能态，紧接着通过非辐射驰豫(碰撞驰豫)过程将光能转化为热能。

样品中局域的温度变化引起压力的变化。

第39卷第1期2021年1月吉林大学学报（信息科学版）Vol.39No.1 Journal of Jilin University(Information Science Edition)Jan.2021文章编号：1671-5896(2021)01-0100-06石英音叉扫频及性能测试教学科研系统郑传涛，刘洋，闫格，胡立恩(吉林大学电子科学与工程学院，长春130012)摘要：为了测定石英增强光声光谱气体传感系统的谐振频率与品质因数，同时服务于《高频电子线路》中R-L-C 选频电路的教学需求，促进教学与科研的充分融合，设计并实现了一种石英音叉扫频及性能测试系统。

首先分析了石英音叉的R-L-C电学模型，采用Matlab软件对模型做了仿真分析。

研制了跨阻放大电路，用于放大正弦激励或外加声场作用下的石英音叉输出信号。

利用锁相放大器、跨阻放大器、信号发生器、LabVIEW信号平台，建立了石英音叉扫频及性能测试系统。

利用给定的石英音叉及该测试系统，在真空封装及去除外壳两种情况下，分别测试了石英音叉的等效电学参数、谐振频率、品质因数等性能。

该系统既融合了R-L-C选频电路的基本知识，又拓展了基于石英音叉的科研应用案例。

实际应用表明，石英音叉扫频及性能测试系统满足R-L-C 选频电路的实验教学需求以及石英增强光声光谱技术的科研需要，取得了较好的教学与科研应用效果。

关键词：实验教学系统；R-L-C电路；石英音叉；石英增强光声光谱技术；LabVIEW平台中图分类号：TP37；G434文献标识码：ATeaching and Research System for Frequency Sweep andPerformance Test of Quartz Tuning ForkZHENG Chuantao,LIU Yang,YAN Ge,HU Lien(College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun130012,China)Abstract:In order to measure the resonant frequency and the quality factor of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy gas sensing system,to serve the teaching requirements of R-L-C frequency selection circuit in the ourse of"high frequency electronic circuit",to and promote the full integration of teaching and scientific research,a frequency sweep and performance test experimental system for quartz tuning fork is designed and implemented.The principle of R-L-C electrical model of quartz tuning fork is firstly analyzed,and the model is simulated by Matlab.In order to amplify the output signal of a quartz tuning fork under sinusoidal excitation or external sound field,a transimpedance amplifier circuit is designed.The frequency sweep and performance test system of quartz tuning fork is established by using a lock-in amplifier,a trans resistance amplifier,a signal generator and a LabVIEW signal ing the given quartz tuning fork,the equivalent circuit model parameters,resonant frequency and quality factor are tested under vacuum packaging and shell removal.This system integrates the basic knowledge of R-L-C frequency selection circuit and expands the scientific research application cases based on quartz tuning fork.The practical application shows that the system can meet the experimental teaching requirements of R-L-C frequency selection circuit and scientific research needs of quartz enhanced photoacoustic spectroscopy technology,and has achieved good teaching and research application results.收稿日期：2020-08-09基金项目：吉林大学“十三•五”本科生规划教材基金资助项目；吉林大学青年教师教学能力提升基金资助项目(2019XYB390)；吉林大学本科“创新示范课程”建设基金资助项目；吉林大学在线课程基金资助项目作者简介：郑传涛(1982-),男，河南商丘人，吉林大学教授，博士生导师，主要从事电子科学与技术专业本科生与研究生理论与实验教学工作及红外激光光谱学与应用领域科研工作研究，(Tel)86-137********(E-mail)*********************.cn。

新型石英增强光声光谱技术研究科学技术的迅猛发展在推动人类社会高速进步的同时, 也在不断改变自然环境中大气的成分及各组分所占的比例。

这些改变不仅直接影响了人类的健康, 而且引起了环境及气候的变化, 诸如近年来频繁影响我国的厄尔尼诺事件、重度沙尘暴以及极端雾霾天气现象等都是环境恶化的体现。

为实现人与自然和谐相处, 使社会健康向前发展, 国家在“十三五”生态环境保护规划的通知中把控制能源消耗总量, 扩大污染物总量控制范围, 实施工业污染源全面达标排放计划作为重要的约束性指标, 而能否实时、灵敏且精确的测量大气成分的含量是这些指标能否被准确评估的关键所在。

此外, 痕量气体检测在物理、化学和生命科学等领域也都有着广泛的应用。

因此, 研发分子识别精度高、响应时间短、探测灵敏度高、结构紧凑且可连续实时监测痕量气体浓度的气体传感器具有十分重大的研究意义和应用价值。

在众多气体检测技术中光声光谱技术以选择性好、探测精度高、寿命长且维护费用低等特点, 成为长期以来人们从原理到应用不断进行研究的热点。

石英增强光声光谱（Quartz-enhaneed Photoacoustic Spectroscopy, 以下简称为QEPAS技术是传统光声光谱技术的新发展, 其显著特点是使用音叉形石英晶振（以下简称为石英音叉）代替传统光声光谱中的麦克风实现对微弱光声信号的探测。

该技术不但保留了光声光谱技术所具有的零背景、无波长选择性、响应信号正比于激励光功率等优点, 而且还拥有了品质因数高、响应带宽窄、对环境噪声免疫、结构紧凑以及成本低廉等特性, 因此该技术一经提出便受到了广泛的关注。

截止目前,该技术已被成功用于数十种有机或无机气体分子的高精度测量, 具有上述特点的QEPA技术非常适合发展微型便携传感器。

本文将围绕该技术的相关理论及应用展开研究,为QEPAS技术的实用化提供理论基础和技术准备。

论文从光谱测声器模块的优化设计、定制石英音叉的应用、利用光纤放大器实现痕量气体的高灵敏探测、基于QEPA信号拍频效应实现痕量气体快速连续监测等方面开展研究。

基于石英增强光声光谱的痕量气体传感技术研究进展佟瑶;马欲飞【摘要】石英增强光声光谱技术(QEPAS)作为一种高灵敏度的间接吸收光谱技术,目前已成为痕量气体检测领域的研究热点.本综述文章介绍了近几年具有代表性的QEPAS技术方案,从提高激光功率、增强声耦合效率以及传感器的实际应用三个角度,对比了新型结构的探测性能,分析了各结构的优势.最后,对本文中提到的QEPAS 结构进行了总结,并对QEPAS技术未来的发展进行了展望.【期刊名称】《聊城大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(032)002【总页数】8页(P34-41)【关键词】石英增强光声光谱;痕量气体检测;激光器;石英音叉【作者】佟瑶;马欲飞【作者单位】哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室 ,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室 ,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN247;TN2490 引言目前，痕量气体检测技术在环境监测、工业过程控制分析、火灾预警等多个领域具有广泛的应用.痕量气体检测技术分为光谱学法和非光谱学法，其中基于激光吸收光谱的光谱学检测技术具有以下优点：响应速度快，响应时间在毫秒量级；探测精度高，可达到ppbv(part per billion by volume)量级；选择性强，可实时监测等，因而成为痕量气体探测领域的重要手段[1].光声光谱技术是基于光声效应的一种间接吸收光谱技术，光声效应于1880年由Bell发现并提出[2].光声效应是指当气体吸收激光辐射后跃迁至高能级，受激分子通过无辐射跃迁至低能级，将吸收的光能转化为热能，分子间产生局部的温度变化和压力变化.如果光是周期性调制的，那么产生的温度和压力的变化也是周期性的，压力的频率与激光调制频率相同，通常在声频，即产生了声波.光声光谱技术中的信号强度如.(1)式中α为吸收系数，Q为光声池的品质因数，P为激光功率，f0为谐振频率.从式(1)可以看出，光声信号与光声池的共振频率呈反比，因此可以通过采用共振频率较低的光声池来提高信号值，但如果光声池的共振频率过低，便对电子元器件1/f 噪声、环境噪声以及气流产生的噪声更加敏感，最终导致系统的信噪比较低[3].另外，光声信号和激光功率成正比，传感器探测极限可通过使用高功率激光源提高.光声光谱技术中的声波探测元件为麦克风，其Q值在40-200，共振频率为1-4 kHz.虽然麦克风的共振频率较低，但其品质因数低、体积大的特点限制了光声光谱传感器的性能和实际应用[4-6].针对麦克风的缺点以及光声光谱技术在应用上的限制，美国Rice大学的Tittel教授课题组于2002年提出了石英增强光声光谱技术(Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy， QEPAS)[7].QEPAS技术采用敏锐的声换能器-石英音叉进行探测.石英音叉是由压电材料石英制成的四极振子，通常被用来作为时钟、手表以及电路中的频率基准[8-10]，且具有损耗低、体积小、成本低的优点，消除了光声光谱技术中麦克风带来的限制.石英音叉在真空下的Q值约为100000，常压下约为10000，常见的共振频率为32.768 kHz.根据积分时间公式t=Q/f0计算出常压下的积分时间为320 ms.由于t值较大，因此QEPAS传感器系统信号强度较大.另外，石英音叉对环境噪声具有很好的免疫性[11-16]，只有在响应频带内的频率分量才能有效激发石英音叉振动，而在常压下，石英音叉的响应频带宽度小于4 Hz.另外，外部声源产生的声波会对石英音叉的两个叉股分别施加相同方向的力，而音叉叉股只有向相反方向摆动时才会产生有效信号，因此，QEPAS传感器对环境噪声不敏感.由于QEPAS技术具有高选择性和高灵敏度、低成本、结构紧凑和动态响应范围大的优点，因此被广泛地应用在众多领域[17-35]，其中包括：(1)大气监测；(2)化学分析；(3)生物诊断；(4)痕量气体检测，随着气体检测需求的不断产生，不同结构的QEPAS传感器应运而生.图1 基于石英音叉的QEPAS系统图常见的基于石英音叉的QEPAS系统如图1所示.激光源多采用蝶形封装的半导体激光器，激光器的输出波长根据气体分子的目标吸收谱线进行选择，通常遵循以下三个原则：(1)具有较强的激发强度；(2)与其他背景气体谱线相分离，即无干扰项；(3)适合波长的激光光源的可获得性[36].激光波长由高频的正弦波和低频的锯齿波叠加共同调制，通过给激光器输入变化的驱动电流，使激光在目标吸收线附近的波段内进行扫描.气体分子吸收对应波长的激光能量发生光声效应，产生的声波可等效为力“推动”石英音叉叉股向相反方向摆动，跨阻抗放大器(TA)将压电效应产生的微弱电流信号(pA-nA量级)放大为电压信号，并将其传递至锁相放大器，最终解调为谐波分量信号.由于偶次谐波在吸收峰处有最大值，且随着谐波次数的增加，吸收峰处的信号值减小，因此在QEPAS技术中通常使用二次谐波进行气体浓度的反演.本文总结了近几年具有代表性的QEPAS痕量气体传感技术，主要分三个方面：(1)优化光源输出功率，提高系统信号强度；(2)优化声波探测模块，提高声波探测元件间的耦合效率；(3)从应用角度出发，结合新技术，实现痕量气体分布式测量和传感器的小型化.最后总结了QEPAS技术的发展现状并对此进行展望.1 基于高功率激发源的QEPAS传感器系统由公式(1)可知，光声光谱信号与激光源输出功率呈正比，这是因为当激发源功率提高时，可增大分子抽运速率，使得激发态的分子数增多，因而增大了通过热弛豫释放的热量，提高了声波信号强度.因此可以通过采用高功率激光器实现QEPAS传感器性能的提升.1.1 基于高功率量子级联激光器的QEPAS传感系统量子级联激光器是1994年由美国Bell实验室研制成功的，它是一种基于子带间电子跃迁的新型单极光源，电子被注入到发生激光跃迁的有源层顶部，之后纵向光的发生清空了较低的激光能级，同时电子通过遂穿进入下一层.循环此过程便在有源层内周期性地形成一系列薄层，即多个量子阱构成的超晶格结构[37].量子级联激光器的输出波长仅与有源区量子阱的厚度有关，现有的量子级联激光器的输出波长覆盖了3.4-17 μm[38].2013年，美国Rice大学的马欲飞等人使用美国西北大学研制的输出波长为4.61 μm的高功率连续波分布反馈式量子级联激光器作为QEPAS传感器的光源[39].激光器输出特性如图2所示，在工作温度为10 ℃，工作电流为1250 mA时，激光器的输出功率为987 mW.使用共振频率为32.768 kHz的石英音叉，对位于2169.2 cm-1处的一氧化碳(CO)R分支的R(6)吸收谱线进行了探测，向目标气体中添加水汽加快分子的弛豫速率后，实现了1.5 ppb量级的探测极限.图2 高功率连续波分布反馈式量子级联激光器输出特性[20]1.2 基于掺铒光纤放大器的QEPAS传感系统在QEPAS技术中，蝶形封装或者TO封装的单纵模分布反馈式半导体激光器因为体积小、成本低的特点常被作为光源，然而这样的激光器输出功率较低(<50 mW)，限制了传感器的性能.光纤放大器作为一种全光放大器件，在光纤的纤芯中掺杂稀土离子可以起到使泵浦光放大的作用，具有高增益、宽带宽、低噪声的优点.常用的光纤放大器是掺铒光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier,EDFA).当有合适的种子激光注入时，掺铒光纤放大器可以实现30 dB的增益放大[40,41].文献[40]中，使用EDFA将激光功率由80.6 mW放大为1402 mW，实验装置如图3(a)所示，以位于6320.6 cm-1处的硫化氢(H2S)为目标，在1个标准大气压以及1 s的积分时间内，实现的最小探测极限为734 ppb，归一化噪声等效吸收系数为9.8×10-9 cm-1W·Hz1/2，将积分时间提升至67 s时，系统的最小探测极限改进至142 ppb.该实验还测试了不同功率下的信号峰值并进行拟合，结果如图3(b)所示，得到的线性拟合系数为0.999，表征着采用光纤放大器的QEPAS传感器浓度线性响应度良好.图3 基于EDFA的QEPAS传感器装置图与浓度线性响应度测试结果[40]1.3 本节小结本节介绍了通过提高输出功率进而提升系统的探测极限，其中包括采用高功率量子级联激光器以及采用光纤放大器对半导体激光输出功率进行放大，表1总结并对比了两个系统的参数与性能.量子级联激光器由于其结构复杂、生长层次繁多、成本高等特性，限制了它的可获得性.掺铒光纤放大器具有高增益、低噪声、偏振无关等优点，但在使用掺铒光纤放大器时应注意非线性效应和光浪涌等问题.归一化噪声等效吸收系数表征了传感器的探测性能，其值越小，系统的探测性能越好.对比本节提到的两个系统可以看出，使用高功率量子级联激光器和掺铒光纤放大器均可以获得优异的探测性能.表1 高功率激光源的QEPAS系统参数与性能对比表[39-41]目标探测气体输出功率/mW最小探测极限/ppbv归一化噪声等效吸收系数/cm-1W·Hz1/2文献[39]CO9871.51.6× 10-8文献[40]H2S14021429.8×10-9文献[41]NH31000418.43.83×10-8注：ppbv:part per billion by volume,10-9.2 声耦合增强型QEPAS传感器系统为了进一步增强声波信号强度，可在石英音叉两端外加微共振腔，让声波在微共振腔的作用下形成驻波，使微弱的光声信号得到增强.信号增强的幅度与微共振腔的尺寸和放置的位置有关，到目前为止，常见的微共振腔形式有两种，一种为“共轴”形式，另一种为“离轴”形式.为了避免产生光热效应，标准的调节方法是将激光光束完全无遮挡的通过共振腔和音叉叉股.图4 共轴式QEPAS系统结构示意图与声波强度分布模拟图[42]2.1 共轴式QEPAS探测系统在“共轴”式QEPAS系统中，微共振腔由两个不锈钢细管组成，分别放置在石英音叉的两端，激光束穿过这两个细管和音叉的叉股，共轴式微共振腔耦合声波探测模块结构如图4(a)所示.2010年，美国Rice大学的董磊研究了不同尺寸共振管耦合下的QEPAS系统，研究显示共振管长度为λs/4<L<λs/2时(λs为声波波长)[42-44]，微共振腔的信号增强效果较好，声波信号分布如图4(b)所示.通过耦合不同尺寸的金属管，得到了增强效果最好时的共振管尺寸参数，即长度为4.4 mm，内径为0.6 mm，外径为0.71 mm，音叉与共振管端面的距离为30-50 μm.相比于裸石英音叉，添加共振管后信号最大增强30倍.同时，石英音叉与共振腔的耦合使声波探测模块的品质因数减小，响应时间缩短了8-10倍.由于共轴式QEPAS具有较好的信号增强效果，很多研究均采用共轴式共振管增强的方式[7,23,36,45-51].2.2 离轴式QEPAS探测系统尽管共轴式的结构对信号增强效果较好，但仍然存在以下缺点：(1)共振腔由两个共振管组成，因此调节装配较为困难；(2)石英音叉叉股的间隙通常为300 μm，限制了共振管的内径，进而限制了射入共振腔的激光能量.针对上述的限制，刘锟提出了离轴式声波微共振腔[52].在离轴式QEPAS结构中，微共振腔仅由一个不锈钢细管组成，在细管的中间位置加工出设有宽度为0.15±0.02 mm的细槽(如图5(a)所示)，用来出射声波，方便音叉进行探测.在尝试了如图5(b)、5(c)和5(d)三种摆放位置后，发现图5(b)的增强效果最佳，即音叉的叉股间隙对准共振管的细槽平行放置时，该结构的增强效果分别是裸音叉的15.7倍和共轴式QEPAS的4.5倍，以水汽为探测目标，获得的归一化噪声等效吸收系数为5.9×10-9 cm-1W·Hz1/2.注：(a)离轴式音叉和共振腔示意图；(b)-(d)离轴式结构音叉与共振管的空间位置示意图图5 离轴QEPAS示意图[52]2.3 单管共轴式QEPAS探测系统声波在共振腔中形成驻波，共振腔的总长应为λs/2，但由于音叉位于共振腔的中心，音叉与共振腔间的间隙改变了驻波的模式，因此在传统的双管共轴QEPAS系统中，共振管的最佳长度L为λs/4<L<λs/2.减少音叉和共振管之间的间隙，有助于提高QEPAS信号强度，因此可以采用单共振管代替传统共轴式的双共振管.在单管共轴式QEPAS系统中，在金属管两侧加工出一段小孔，声波通过小孔泄露出来，推动音叉叉股进行摆动.由于常见的标准音叉叉股间隙只有300 μm，不利于单共振管的加工和装配，因此采用定制的大间隙石英音叉，对这种单管共轴式QEPAS系统的信号增强效果进行测试[53]，图6(a)为共振管与音叉的位置示意图，图6(b)和6(c)分别为传统双管共轴与单管共轴的声学耦合驻波强度模拟示意图.单管共轴QEPAS结构具有较高的耦合效率，这种结构相比于裸音叉提高了两个数量级，且这种方法相比于传统的共轴式更易进行激光准直.以CO2气体为探测目标，获得的归一化噪声等效吸收系数为1.21×10-8 cm-1W·Hz1/2.注：(a)单管共轴QEPAS声波探测模块示意图;(b)传统共轴声波强度分布模拟图;(c)单管共轴声波强度分布模拟图图6 单管共轴式QEPAS声波探测系统示意图[53]图7 基于两个音叉的M-QEPAS探测模块示意图[54]2.4 基于多音叉的QEPAS传感系统基于多音叉的QEPAS传感系统(Multi-QEPAS，简称M-QEPAS)中，声波将同时由N个音叉探测，单个石英音叉产生的电流信号叠加后的有效信号为原来的N倍，噪声为原来的N倍，因此信噪比提升为原来的N1/2倍.2015年，哈尔滨工业大学的马欲飞等人报道了基于双音叉的M-QEPSAS传感系统[54]，两个共振频率为32.76 kHz的石英音叉垂直反向放置，装置如图7所示，以水汽为目标气体，测得的信号与单个石英音叉相比信号提升了1.7倍.该方法验证了多音叉对系统信噪比的提升效果，后续可以通过增加音叉的数量实现信号的进一步提高.2.5 本节小结本节总结了通过增强声波耦合效率对系统探测能力进行提高的四种结构，其中包括三种微共振腔增强型以及一种多音叉增强型QEPAS传感系统.表2对这四种结构的探测性能进行了对比总结.可以看出采用低共振频率石英音叉的单管共轴型QEPAS系统共振管长度较大，调节光路时比较困难，共振管容易遮挡光束能量，导致系统噪声水平提高.离轴结构在光路调节时比较容易，光束几乎可以无遮挡的通过共振管，但离轴型的声波耦合增强水平较差.综合来看，传统双管共轴型的QEPAS系统的增强效果最好.表2 四个结构的参数与性能对比表[42，52-54]目标探测分子外径/mm内径/mm 管长/mm信噪比归一化噪声等效吸收系数/cm-1W·H1/2Z共轴型C2H20.710.64.427503.3×10-9离轴型H2O0.70.458187005.9×10-9单管共轴型CO20.90.65385541.21×10-8双音叉型H2O------8805.95×10-83 实用化QEPAS传感系统3.1 基于光纤倏逝波的QEPAS传感器传统的QEPAS技术只能进行单点的浓度探测，很难实现远距离多点的分布式测量.光纤倏逝波是指光源发出的光在纤芯中传播时，在纤芯和包层交界处发生全反射，但有部分激光能量渗透到包层中、且以指数衰减的能量场称为倏逝波.将光纤锥置于石英音叉的叉股之间，气体分子吸收倏逝场的能量并产生声波，得到基于光纤倏逝波的QEPAS技术[55]，由于光纤倏逝波的功率随着光纤直径的减小而增大，因此光纤的拉锥处的直径需要足够小(<2 μm)才能获得较强的倏逝波场.采用熔融拉锥法对单模光纤进行多级拉锥，光源发出的激光经过3 km长的单模光纤，将拉锥处放于石英音叉的叉股之间进行探测.三个光纤锥的直径分别为1.67、1.77、1.12 μm，各光纤锥的参数如表3所示.光纤倏逝波的QEPAS技术具有抗电磁干扰、低插入损耗和光学易对准的优点，另外可以通过减少光纤锥的直径进一步提高传感器的探测性能.表3 三个光纤锥的特性参数[55]光纤锥光纤锥直径/μm倏逝波场功率/mW 探测极限/ppmv归一化噪声等效吸收系/cm-1W·Hz1/211.6749.8303.55×10-621.7728.52513.52×10-631.1276.87133.66×10-6注：ppmv:part per million by volume,10-6.3.2 3D打印的QEPAS传感器图8 3D打印模块设计图与实物图[56]实际应用中，传感器应该具有体积小和重量轻的特点，然而，传统QEPAS技术使用了很多光学透镜用来进行激光束的准直和传输，这导致了QEPAS传感器结构不稳定且系统体积较大[56].2018年，哈尔滨工业大学马欲飞等人利用3D打印技术制造了一个体积为29×15×8 mm3的声波探测模块，采用直径为1.8 mm的光纤耦合输出的梯度折射率透镜(Grin透镜)进行激光的聚焦[57].在这个传感器系统中，光纤、Grin透镜、石英音叉、声耦合器都集成在3D打印的声波探测模块中(26,27)，3D打印技术中QEPAS传感器的设计图与加工实物图如图8所示，声波探测模块的质量仅为5 g.3.3 本节小结本节从传感器的实际应用角度出发，介绍了两种新型的QEPAS 传感系统.表4总结了光纤倏逝波QEPAS传感技术和基于3D打印技术的QEPAS传感技术的探测性能，可以看出基于3D打印技术的QEPAS传感系统不仅具有质量轻和体积小的优势，还具有非常灵敏的探测性能.而光纤倏逝波型QEPAS传感技术则可以实现远距离分布式气体浓度测量.表4 实用化QEPAS传感系统参数与性能对比表[55,57]目标探测气体最小探测极限归一化噪声等效吸收系数/ cm-1W·Hz1/2探测距离光纤倏逝波型C2H213 ppmv3.66 × 10-63 km3D打印传感器HCN29 ppbv1.08 × 10-8点测量4 总结与展望本综述文章对近几年新提出的基于石英增强光声光谱(QEPAS)的气体传感器技术进行了讨论和总结.QEPAS技术可以通过提高激发源的功率和优化声波探测结构实现传感器性能的提升.因此，在中红外波段采用量子级联激光器实现激光功率的提高；而在近红外波段，采用掺杂稀土元素的光纤放大器实现功率的放大.优化声波探测系统结构主要集中在添加声波共振管及多音叉结构两个方向，根据声波共振管的数量以及与音叉的放置位置不同分为双管共轴型、单管共轴型以及离轴型.其中双管共轴型QEPAS应用最为广泛，且当共振管长度为λs/4< L<λs/2时，声波增强效果最好.多音叉结构理论上可将信噪比放大为单音叉结构的N1/2倍.光纤倏逝波QEPAS技术实现了痕量气体的远距离分布式探测，且具有低插入损耗，光学易对准的优点.从气体传感器的实用性角度出发，基于3D打印技术的QEPAS传感具有质量轻、体积小、功耗低的优势.以上这些改进方法让基于QEPAS技术的痕量气体传感器应用在更广泛的领域成为可能.后续可以采用以下方法进一步改善QEPAS传感器的探测性能：(1)优化石英音叉所在气室的压强，石英音叉的共振频率与品质因数均与压强有关，因此优化压强将会实现传感器系统信号的提升；(2)优化声波微共振腔的结构及参数；(3)从学科交叉与技术应用的角度出发，实现QEPAS 技术的实用化.参考文献【相关文献】[1] Galli I，Bartalini S，Borri S，et al.Molecular gas sensing below parts per trillion：radiocarbon-dioxide optical detection[J].Phys Rev Lett，2011，107(27)：4.[2] Bell A G.On the production and reproduction of sound by light：Thephotophone[J].Am J Sci，1880，20：305-324.[3] Vincenzo S，Cinzia D F，Angela E，et al.Photoacoustic techniques for trace gas sensing based on semiconductor laser sources[J].Sensors，2009，9(12)：9616-9628. [4] Manninen A M，Sand J，Saarela J，et al.Electromechanical film as a photoacoustic transducer[J].Opt Express，2009，17：16994-16999.[5] Elia A，Franco C D，Lugarà P M，et al.Photoacoustic spectroscopy with quantum cascade lasers for trace gas detection[J].Sensors，2006，6：1411-1419.[6] Schmohl A，Miklos A，Hess P.Detection of ammonia by photoacoustic spectroscopy with semiconductor lasers[J].Appl Opt，2002，9：1815.[7] Kosterev A A，Bakhirkin Y A，Tittel F K.Ultrasensitive gas detection by quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy in the fundamental molecular absorption bands region[J].Appl Phys B，2005，80(1)：133-138.[8] Mordmüller M，Köhring M，Schade W，et al.An electrically and optically cooperated QEPAS device for highly integrated gas sensors[J].Appl Phys B，2015，119(1)：111-118.[9] Aoust G，Levy R，Raybaut M，et al.Theoretical analysis of a resonant quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor[J].Appl Phys B，2017，63：1-12.[10] Gong P，Xie L，Qi X Q，et al.A QEPAS-based central wavelength stabilized diode laser for gas sensing[J].IEEE Photonic Tech Lett，2015，27(5)：545-548.[11] Ma Y F，He Y，Yu X，et pact all-fiber quartz-enhanced photoacousticspectroscopy sensor with a 30.72 kHz quartz tuning fork and spatially resolved trace gas detection[J].Appl Phys Lett，2016，108(9)：091115.[12] Dong Y J，Chen J，Luo L Q，et al.Modeling and implementation of a fiber-based quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy system[J].Appl Opt，2015，13：2.[13] Ma Y F，He Y，Chen C，et al.Planar laser-based qepas trace gas sensor[J].Sensors，2016，16(7)：989.[14] Lassen M，Lamard L，Feng Y Y，et al.Off-axis quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy using a pulsed nanosecond mid-infrared optical parametric oscillator[J].Opt Lett，2016，41(17)：4118-4121.[15] Thomas R，Rudolf B，Frank M.NO2 trace gas monitoring in air using off-beam quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS)and interference studies towards CO2，H2O and acoustic noise[J].Sensor Actuat B，2018，255(3)：2462-2471.[16] Ma Y F，He Y，Tong Y，et al.Quartz-tuning-fork enhanced photothermal spectroscopy for ultra-high sensitive trace gas detection[J].Opt Express，2018，26(24)：32103-32110.[17] Yi H M，Maamary R，Gao X M，et al.Short-lived species detection of nitrous acid by external-cavity quantum cascade laser based quartz-enhanced photoacoustic absorption spectroscopy[J].Appl Phys Lett，2015，106(10)：1-5.[18] Dong L，Spagnolo V，Lewicki R，et al.Ppb-level detection of nitric oxide using an external cavity quantum cascade laser based QEPAS sensor[J].Opt Express，2011，19(24)：24037-24045.[19] Gray S，Liu A P，Xie F，et al.Detection of nitric oxide in air with a 5.2 μm distributed-feedback quantum cascade laser using quartz-enhanced photoacousticspectroscopy[J].Opt Express，2010，18(22)：23353-23357.[20] Waclawek J P，Moser H，Lendl pact quantum cascade laser based quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor system for detection of carbondisulfide[J].Opt Express，2016，24(6)：6559-6571.[21] Wang Z，Li Z L，Ren W.Quartz-enhanced photoacoustic detection of ethylene usinga 10.5 μm quantum cascade laser[J].Opt Express，2016，24(4)：4143-4154.[22] Ma Y F，Tong Y，He Y，et al.High-power DFB diode laser-based CO-QEPAS sensor:optimization and performance[J].Sensors，2018，18(1)：122.[23] Nguyen B T，Triki M，Desbrosses G，et al.Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor for ethylene detection with a 3.32 μm distributed feedback laser diode[J].Rev Sci Instrum，2015，86：023111.[24] Andreas P，Michael K，Ulrike W，et al.Detection of molecular oxygen at low concentrations using quartz enhanced photoacoustic spectroscopy[J].Sensors，2010，10(9)：8466-8477.[25] Ma Y F，He Y，Zhang L G，et al.Ultra-high sensitive acetylene detection usingquartz-enhanced photoacoustic spectroscopy with a fiber amplified diode laser and a 30.72 kHz quartz tuning fork[J].Appl Phys Lett，2017，110(3)：1-5.[26] Milde T，Hoppe M，Tatenguem H，et al.QEPAS sensor for breath analysis:a behavior of pressure[J].Appl Opt，2018，57(10)：120-127.[27] Lewicki R，Kosterev A A，Thomazy D M，et al.Real time ammonia detection in exhaled human breath using a distributed feedback quantum cascade laser basedsensor[J].Proc SPIE，2011，7945：7945K-1.[28] Ma Y F，Yu G，Zhang J B，et al.Quartz enhanced photoacoustic spectroscopy based trace gas sensors using different quartz tuning forks[J].Sensor，2015，15(4)：7569-7604.[29] Michael K，Stefan B，Ulrike W，et al.LED-absorption-QEPAS sensor for biogasplants[J].Sensors，2015，15(5)：12092-12102.[30] Ma Y F，He Y，Yu X，et al.HCl ppb-level detection based on QEPAS sensor using a low resonance frequency quartz tuning fork[J].Sensor Actuat B，2016，233：388-393. [31] Liu K，Zhao W X，Wang L，et al.Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy of HCN from 6433 to 6613cm-1[J].Opt Commun，2015，340：126-130.[32] Dong L，Lewicki R，Liu K，et al.Ultra-sensitive carbon monoxide detection by using EC-QCL based quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy[J].Appl Phys B，2012，107(2)：275-283.[33] Gong P，Xie L，Qi X Q，et al.A quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor for measurement of water vapor concentration in the air[J].Chinese Phys B，2015，24(1)：1-6.[34] Cao Y C，Jin W，Ho L H，et al.Evanescent-wave photoacoustic spectroscopy with optical micro/nano fibers[J].Opt Lett，2012，37(2)：214-216.[35] Lewicki R，Wysocki G，Kosterev A A，et al.QEPAS based detection of broadband absorbing molecules using a widely tunable，CW quantum cascade laser at 8.4 μm[J].Opt Express，2007，15(12)：7357-7366.[36] 马欲飞，佟瑶，张立功，等.基于QEPAS技术的乙炔微量气体高灵敏度检测研究[J].光谱学与光谱分析，2017，37(9)：2869-2872.[37] 王文鑫，吕玉祥.量子级联激光器的原理、制备与应用[J].激光杂志，2018，39(9)：7-11.[38] 姜萌，冯巧玲，魏宇峰，等.小型化光声光谱气体传感器研究进展[J].激光与光电子学进展，2015，52(2)：68-78.[39] Ma Y F，Lewicki R，Razeghi M，et al.QEPAS based ppb-level detection of CO andN2O using a high power CW DFB-QCL[J].Opt Express，2013，21(1)：1008-1019.[40] Wu H P，Dong L，Zheng H D，et al.Enhanced near-infrared QEPAS sensor for sub-ppm level H2S detection by means of a fiber amplified 1582 nm DFB laser[J].Sensors Actuat B，2015，221：666-672.[41] Ma Y F，He Y，Tong Y，et al.Ppb-level detection of ammonia based on QEPAS usinga power amplified laser and a low resonance frequency quartz tuning fork[J].Opt Express，2017，25：29356-29364.[42] Dong L，Kosterev A A，Thomazy D，et al.QEPAS spectrophones：design，optimization，and performance[J].Appl Phys B，2010，100(3)：627-635.[43] Miklos A，Hess P，Bozoki Z.Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology[J].Rev Sci Instrum，2001，72(4)：1937-1955.[44] Yi H，Chen W，Guo X，et al.An acoustic model for microresonator in on-beam quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy[J].Appl Phys B，2012，108(2)：361-367. [45] Kosterev A A，Tittel F K，Serebryakov D V，et al.Applications of quartz tuning forksin spectroscopic gas sensing[J].Rev Sci Instrum，2005，76(4)：043105.[46] Wojcik M D，Phillips M C，Cannon B D，et al.Gas-phase photoacoustic sensor at8.41 μm using quartz tuning forks and amplitude-modulated quantum cascadelasers[J].Appl Phys B，2006，85(2)：307-313.[47] Kosterev A A，Buerki P R，Dong L，et al.QEPAS detector for rapid spectral measurements[J].Appl Phys B，2010，100(1)：173-180.[48] Spagnolo V，Kosterev A A，Dong L，et al.NO trace gas sensor based on quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy and external cavity quantum cascade laser[J].Appl Phys B，2010，100(1)：125.[49] Ma Y F，Tong Y，He Y，et al.Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor with a small-gap quartz tuning fork[J].Sensors，2018，18(7)：2047.[50] Dong L，Wright J，Peters B，et pact QEPAS sensor for trace methane and ammonia detection in impure hydrogen[J].Appl Phys B，2012，107(2)：459-467.[51] Jahjah M，Vicet A，Rouillard Y.A QEPAS based methane sensor with a 2.35 μm antimonide laser[J].Appl Phys B，2012，106(2)：483-489.[52] Liu K，Guo X Y，Yi H M，et al.Off-beam quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy[J].Opt Lett，2009，34(10)：1594-1596.[53] Zheng H D，Dong L，Sampaolo A，et al.Single-tube on-beam quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy[J].Opt Lett，2016，41(5)：978-981.[54] Ma Y F，Yu X，Yu G，et al.Multi-quartz-enhanced photoacousticspectroscopy[J].Appl Phys Lett，2015，107(2)：021101-021103.[55] He Y，Ma Y F，Tong Y，et al.Long distance，distributed gas sensing based onmicro-nano fiber evanescent wave quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy[J].Appl Phys Lett，2017，111(24)：241101-241104.[56] Yang X T，Xiao Y H，Ma Y F，et al.A miniaturized QEPAS trace gas sensor with a 3D-printed acoustic detection module[J].Sensors，2017，17(8)：1750.[57] He Y，Ma Y F，Tong Y，et al.HCN ppt-level detection based on a QEPAS sensor withamplified laser and a miniaturized 3D-printed photoacoustic detection channel[J].Opt Express，2018，26(8)：9666-9675.。

音叉式石英晶振共振频率对QEPAS传感器性能影响的研究李彪; 董磊; 武红鹏【期刊名称】《《光谱学与光谱分析》》【年(卷),期】2019(039)010【总页数】5页(P3056-3060)【关键词】石英增强光声光谱; 石英音叉; 光学气体传感器; 痕量气体检测【作者】李彪; 董磊; 武红鹏【作者单位】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; 极端光学协同创新中心山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】O433.1引言痕量气体检测在大气监测、国防科研、能源化工、医疗诊断多个领域均有广泛的应用。

研发分子识别精度高、响应时间短、探测灵敏度高、结构紧凑且可连续实时监测痕量气体浓度的传感器具有十分重大的研究意义和应用价值。

光声光谱技术是众多气体检测技术中的一种，该技术以高选择性、高探测精度、长寿命以及低成本等特性成为长期以来人们研究的热点。

光声光谱技术是一种成熟的气态物质检测技术[1-3]，传统光声光谱传感器中的测声模块由光声池和麦克风构成。

然而光声池较大的几何尺寸使传统光声光谱传感器无法实现结构紧凑的设计；此外光声池共振频率一般较低(f0<2 kHz)且与环境噪声频率存在重叠区间，这使得传统光声光谱极易受到环境噪声的干扰[4]。

为解决上述问题，美国莱斯大学激光应用研究小组于2002年提出了石英增强光声光谱(QEPAS)技术[5]，该技术使用体积小巧的音叉式石英晶振(QTF)代替光声池和宽频域麦克风完成光声信号的收集。

由于商用QTF 的共振频率(f0=32.768 kHz)远高于常见环境噪声频率并且当两振臂对称性振动时QTF才能基于石英材料的压电特性产生压电信号因此商用QTF的使用使QEPAS 系统对环境噪声具有很好的免疫力。

此外，微型谐振腔以及谐波调制解调技术的使用进一步提高了基于QEPAS技术的系统探测灵敏度，例如QEPAS技术对CH3OH气体的探测归一化噪声等效吸收系数可达10-11 cm-1·W·Hz-1/2。

光纤型石英增强光声光谱技术研究近年来,随着工业化进程的加速,人类活动对大气环境的影响越来越明显。

随着激光器件的研究进步以及激光光谱技术的发展,使得利用激光光谱式手段来进行痕量气体检测成为了一个热点研究发展方向。

其中,石英增强光声光谱技术(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS)以其独特的优势,已成为光谱式痕量气体检测技术研究领域的重要分支。

在传统的QEPAS技术系统中,常采用一组准直聚焦透镜来实现激励光源的光路传输,然而光学准直聚焦系统由于其结构稳定性不佳、组合透镜的尺寸难以减小等缺点,使得系统难以适应一些空间狭小、恶劣等特殊环境的应用要求。

针对这一现状,本文采用光纤束来代替传统光学准直聚焦系统,对光纤型QEPAS系统展开研究。

本文首先对石英增强光声光谱技术的基本原理以及基础理论作出介绍。

简要介绍了气体红外吸收的基本原理,分析了光声效应以及传统光声光谱技术,同时对石英增强光声光谱的典型系统与实现过程作了详述。

最后,针对该技术核心元器件石英音叉研制材料的基本特性以及它在电路系统中的电学特性作了简要介绍。

其次,对QEPAS系统中的激光波长调制技术进行了理论计算。

结合气体红外吸收的基本理论,经过一系列公式推导,得到了系统二次谐波信号与激光波长调制深度的变化规律。

同时,利用有限元软件COMSOL Multiphysics对光纤横截面的光场分布进行模拟,计算出光纤倏逝场的功率比例。

理论仿真计算结果表明:系统存在一个最佳的调制深度,同时随着光纤直径的减小,光纤倏逝场会逐渐增强。

最后,对全光纤结构的QEPAS技术进行了实验研究。

并提出了利用光纤分束器建立多点测量光纤QEPAS系统研究方案,成功实现了痕量气体的空间多点分布测量。

接着开展了光纤倏逝波QEPAS技术的实验研究,并提出了利用单束多锥区光纤分别建立多点倏逝波QEPAS技术实验研究方案,最终成功实现了痕量气体的多点空间分布测量。

光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术何应;马欲飞;佟瑶;彭振芳;于欣【摘要】In a conventional system of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS), the size of block-like optical collimation focusing lens group is difficult to reduce, and the structural stability is poor, which makes it hard to adapt itself to some special conditions, such as narrow space and vibrating circumstance. Based on this situation, in this research the fiber evanescent wave technique is combined with QEPAS. Therefore, trace gas detection for acetylene (C2H2) based on an all-fiber structural QEPAS system is developed. To obtain the characteristics of fiber evanescent wave, the optical distribution of micro structural fiber is simulated and the evanescent wave power ratio is calculated based on the COMSOL Multiphysics software. In order to increase the QEPAS 2f signal amplitude, the optical path between fiber taper and quartz tuningfork(QTF)and the laser wavelength modulation depth are optimized. In addition, two kinds of QTFs with different resonant frequencies are optimized. Finally,a QTF with a lower resonant frequency of 30.720 kHz is adopted as the acoustic wave transducer, and a minimum detection limit (MDL) of 6.25×10?4(volume fraction)is obtained with a laser wavelength modulation depth of 0.24 cm?1. To investigate the evanescent wave power of micro structural fiber, the fiber taper diameter is measured by a scanning electron microscope. Subsequently, by combining the diameter of fiber taper with the theoretical calculation results, we determine anevanesc ent wave power of 455.9 μW, and the normalization of noise equivalent absorption (NNEA) which indicates the sensor sensitivity is4.18×10?7cm?1·W·Hz?1/2.%采用块状光学准直聚焦透镜组的传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术存在体积难以缩减,结构稳定性不佳,无法适应空间狭小、振动复杂的特殊环境等缺点.基于此,将光纤倏逝波技术与QEPAS技术相结合,提出了一种新型微纳结构光纤QEPAS痕量气体检测技术.实验中,为了提高QEPAS系统信号幅值,优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,同时对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终采用共振频率较低的30.720 kHz石英音叉作为声波探测元件,获得的检测极限为6.25×10?4(体积分数),归一化噪声等效吸收系数为4.18×10?7cm?1·W·Hz?1/2.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)002【总页数】8页(P26-33)【关键词】痕量气体检测;石英增强光声光谱;光纤倏逝波【作者】何应;马欲飞;佟瑶;彭振芳;于欣【作者单位】哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001【正文语种】中文1 引言近年来,人类的活动对环境中各种痕量气体种类以及浓度的影响在持续增加,如大气中的温室气体臭氧(O3)、酸雨催生气体氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2),体积分数为10−12—10−6量级,这些气体的浓度上升直接使环境发生改变[1,2].同时,随着工业化进程的加速,工业生产过程中产生的各种痕量气体,如一氧化碳(CO)、甲烷(CH4),会对人类自身的安全造成影响.因此,对痕量气体进行精确的测量变得十分紧迫.随着激光技术以及光谱技术的不断发展,采用光谱学方法对痕量气体进行测量成为了热点.其中,激光吸收光谱法气体检测技术具有种类鉴别性好、探测灵敏度高、能够实现在线测量等优点,近年来发展迅速.在众多光谱测量技术中,石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS)作为一种新型光声光谱探测技术[3],具有更加鲜明的优势.QEPAS技术采用石英音叉(quartz tuning fork,QTF)作为声波探测元件,石英音叉具有体积小、品质因数高、价格低廉等诸多优点[4,5].目前,QEPAS技术被广泛应用于多种痕量气体的检测研究中[6−11].在传统QEPAS技术中,常采用一组块状光学透镜将激光束聚焦穿过石英音叉叉股间隙,因此,这部分光路存在结构稳定性欠佳、探测单元的尺寸难以缩小等缺点,这些因素在一定程度上限制了该技术的实际应用.光纤具有结构稳定、体积小、传输损耗低等一系列优点,在QEPAS技术中有潜在的应用优势[12].本文采用全光纤传输结构,利用光纤倏逝波技术,开展光纤倏逝波型石英增强光声光谱痕量气体检测技术研究.乙炔(C2H2)气体是变压器绝缘油中的溶解气体之一,是表征电力变压器早期潜伏性故障的重要特征量[13],同时也是聚乙烯生产线上乙烯气流中的污染物之一[14],因此,选择C2H2气体作为测量对象.该研究对C2H2气体浓度的高灵敏度、快速测量在变压器故障诊断、环境监测等领域具有重要意义.2 光纤倏逝场计算倏逝场是指当光以全反射的方式在不同折射率的界面传输时,会有微量的光波渗透到另一折射率介质中,形成一种趋于指数衰减的电磁场,其渗透深度与光波长相当.而在光纤中,光波于纤芯中传输,在纤芯与包层界面发生全反射,因此在光纤包层靠近界面处也会有一部分呈指数衰减的电磁场.光纤倏逝场基本结构如图1所示,将光纤进行相应的处理,可将其直径缩小至与光波长相当,即所谓的微纳结构光纤,于是在光纤与空气的界面处会有一部分光渗透到空气中,这便是光纤倏逝波.若将微结构光纤置于目标探测气体环境中,渗透到空气中的倏逝场就会与周围的介质发生相互作用,本研究正是要利用这种倏逝波作为QEPAS系统中气体吸收的激励源.图1 光纤倏逝场示意图Fig.1.Schematic of fi ber evanescent wave.图2 光纤截面的求解模型Fig.2.Solving model of fi ber interface.图3 不同光纤直径下的截面光场分布(a)D=1.2µm,m=0,neff=1.265727;(b)D=1.0µm,m=0,neff=1.218575;(c)D=0.8µm,m=0,neff=1.152950;(d)D=0.6µm,m=0,neff=1.070514Fig.3.The optical fi eld distribution for different fi ber diameters:(a)D=1.2µm,m=0,neff=1.265727;(b)D=1.0µm,m=0,neff=1.218575;(c)D=0.8µm,m=0, neff=1.152950;(d)D=0.6µm,m=0,neff=1.070514.为掌握微结构光纤中的光场分布以及光纤界面外空间中的光功率分布与大小比例,利用基于有限元分析法的COMSOL Multiphysics软件对光纤的光场分布进行模拟分析以及光功率的理论计算.理论模拟过程中利用COMSOL Multiphysics软件的频域分析功能,首先对光纤结构进行建模,该求解模型为图2所示的两个同心圆,其中,小圆表示光纤截面,外圆表示空气层,模拟的光纤直径为0—3µm,空气层直径为10µm(因为倏逝场渗透深度为光波长量级),折射率分别为1.4378和1.建模完成后,对模型进行精细的网格划分,选择求解模式,由传输激光波长(1.53µm)设置模式分析频率,并以光纤折射率(n=1.4378)为模式的基准点,随后选择物理场与变量,进行计算求解.最终计算直径D=0—3µm范围内的光场分布,部分结果如图3所示.图3中,黑色线圈表示包层与空气层的界面,m表示光的传输模式,neff表示有效折射率,图中光纤直径依次为1.2,1.0,0.8,0.6µm.从计算得到的光纤横截面光场分布可以看出,随着光纤包层直径的减小,溢出光纤包层的光场在空气中的深度增大,同时空气中的光场逐渐变强,即包层直径越小,溢出到空气中的倏逝场越强.根据模拟计算得到的光场结果,利用COMSOL Multiphysics软件的数据后处理,计算不同包层直径下倏逝场的功率与激光总功率之比,最终得到的结果如图4所示.图4 不同光纤直径下的倏逝场功率比例Fig.4.Power fraction of the evanescent wave as a function of fi ber diameter.从图4可以看出,当光纤包层直径大于2µm后,空气中倏逝场的功率大小变化缓慢,在总的光场中所占比例小于10%.而QEPAS技术中,由于信号强度与光场功率成正比,因此,为了增大信号强度,得到更优异的探测极限,拉锥后的光纤直径不宜大于2µm.3 实验装置3.1 激光波长调制深度分析为了便于后续信号处理及增大信噪比,拟采取波长调制及谐波探测的方案[15],这就意味着用低频锯齿波电流使激光器扫描经过整个吸收线,同时用高频正弦波信号对激光器波长进行调制.调制深度是指激光波长调制系数χ与待测目标气体吸收谱线线宽Δγ的乘积.气体吸收系数表达式为式中C为气体浓度,N0为总粒子数密度,S为气体吸收谱线强度,g(v)为标准化线性函数,α0=CN0S/(πγline)为谱线中心吸收系数,x=(v−v0)/γline为无量纲激光波数.当采用频率为ωχ的正弦波进行调制时,x还可以表示为式中ϕ表示采用正弦波调制频率为ωχ时的相位差,改写吸收系数公式,对其进行傅里叶分解,则其中各项傅里叶系数的表达式为在光声光谱技术中,常以二次谐波信号作为被探测的值,其表达式为式中fχ=ωχ/(2π)为调制频率,k为系统转换常数,Ccell为探测器转换系数.由于SPA,2fχ表达式中隐含了χ参量(即隐含了调制深度参量),因此通过优化调制深度便可对QEPAS系统二次谐波信号值进行优化.3.2 实验装置在光纤倏逝波型QEPAS技术实验研究中,设计的实验系统结构如图5所示,系统的控制电路部分主要由波长调制和信号放大解调模块组成,并由电脑通过LabVIEW上位机软件进行操控.由于QEPAS系统信号强度与石英音叉共振频率f0成反比[16],因此,与常见QEPAS技术中共振频率f0为32.768 kHz的石英音叉不同,实验选用共振频率f0为30.720 kHz的石英音叉.在波长调制技术中,一个正弦波调制周期内激光波长两次经过吸收谱线,因此产生的信号频率是正弦波调制频率的2倍,所以当调制频率f为石英音叉共振频率f0的1/2时,石英音叉能够形成共振,进而产生最大的二次谐波信号,实验中石英音叉参数测定的共振频率f0为30716 Hz,因此正弦波频率f设定为f=f0/2=15358 Hz.锯齿波驱动电流作用是使激光器输出激光扫描经过一段特定的波长,覆盖气体吸收峰,实验中设定的锯齿波频率为1/60 Hz.激光激励源选择1.53µm的连续波分布反馈式(DFB)半导体激光器.该半导体激光器通过光纤输出并连接拉锥后的单模光纤(康宁标准SMF-28e+).将光纤锥区放置于石英音叉叉股之间.整个探测单元(包括石英音叉(QTF)和光纤锥区)放置于气室中.光纤锥区与石英音叉相对位置的局部放大如图5右上侧所示.激光经光纤锥区输出后由功率计接收并检测,该功率计用以实时监测光纤的输出功率,可以测量激光经光纤锥区后的功率损耗情况.实验中,10 MΩ的跨阻抗放大器(TA)将石英音叉探测到的电流信号转化为电压值,锁相放大器用此电压信号解调出二次谐波分量(2f).实验中所用的测量气体为体积分数为2%的C2H2(以N2为背景气体).图5 实验系统结构示意图Fig.5.Schematic of QEPAS system.4 实验结果和分析首先对光纤锥在石英音叉叉股间隙处竖直方向上的位置(Y)进行了优化研究,结果如图6所示.从图中可以看到,当Y＜0.5 mm时,QEPAS系统2f信号强度随着Y的增大而迅速增大.当0.5 mm ≤Y≤0.9 mm时,2f信号强度处于最优范围内.当Y＞0.9 mm时,QEPAS系统2f信号强度随着Y的增大而逐渐变小.实验结果表明,QEPAS 系统2f信号强度随着Y的变化而发生改变,这主要是因为Y值过小时,作用在石英音叉上的声波能量会有损失(部分声波从音叉叉股上部溢出),而当Y值过大时,声波作用在石英音叉上的等效力矩将会减小,致使石英音叉叉股摆动幅度变小.在后续的实验中,为了获得最强的2f信号幅值,Y值设定为0.7 mm.图6 QEPAS 2f信号幅值随音叉竖直方向位置的变化Fig.6.Amplitude of QEPAS 2f signal as a function of Y.优化光纤锥与石英音叉的相对位置后,进一步通过实验对激光波长调制深度进行优化,实验结果如图7所示.从图中可以看出,系统存在最佳调制深度,根据结果选择的激光波长最佳调制深度为0.24 cm−1.作为对比,实验还对相同条件下、共振频率f0为32.768 kHz的石英音叉进行了研究.最后,向QEPAS系统气室中通入高纯气体N2,并将其测量值作为噪声数据.两种音叉情况下的2f信号波形以及对应的噪声值如图8(a)和图8(b)所示.从图中可以看出,共振频率为30.720 kHz的石英音叉所对应的系统具有更高的2f信号幅值.同时,从噪声测试结果中能够看出,两系统的噪声值基本相当.经计算,f0为30.720和32.768 kHz的石英音叉对应系统的QEPAS信号幅值分别为0.075和0.068 mV,系统探测极限(MDL,用体积分数表示,下同)分别为6.25×10−4和6.90×10−4.由此可见,共振频率较低的石英音叉对应的QEPAS系统能够获得更高的2f信号幅值.根据实验得到的相关参数进行计算,表1列出了该系统的各参数指标,从中可以看出,共振频率为30.720 kHz的石英音叉更适合用于光纤倏逝波QEPAS技术.图7 QEPAS 2f信号幅值随调制深度的变化Fig.7.Amplitude of QEPAS 2f signal as a function of modulation depth.在QEPAS系统中存在一个评价传感器指标的重要参数,即系统的归一化噪声等效吸收系数(NNEA),这是表征传感器检测灵敏度的一个重要参数.NNEA的计算公式为,其中α为气体吸收系数,由系统探测极限经HITRAN数据库计算得到,P为气体吸收峰处的激光功率,Δf为锁相放大器带宽.在NNEA的计算过程中,需要确定激发探测气体的激光功率,即光纤倏逝场的激光功率.根据第1节的理论模拟计算结果(图4)可知,如果获得光纤锥的直径便可得到倏逝场功率比例,因此,利用扫描电子显微镜(SEM)测量光纤直径,拍摄的光纤锥图像如图9所示.测量得到光纤锥直径为1.77µm,根据理论模拟计算结果可知光纤锥对应的倏逝场比例为9.7%.经实验测量,半导体激光器输出功率为6 mW,通过光纤锥后的激光功率为4.7 mW,光纤锥传输损耗为1.06 dB,进一步计算可得光纤锥的倏逝场功率为455.9µW.最终得到系统的归一化噪声等效吸收系数为4.18 × 10−7cm−1·W·Hz−1/2.图8 不同共振频率f0下QEPAS系统的2f波形及噪声值 (a)2f信号波形;(b)纯N2条件下实验的噪声值Fig.8.2f signal amplitude and noise of QEPAS system with different resonant frequencies:(a)Amplitude of 2f signal;(b)determined noise in pure nitrogen environment.图9 扫描电子显微镜拍摄的光纤锥Fig.9.SEM image of fi ber taper.表1 不同石英音叉共振频率下系统的探测性能Table 1.Experimental results for QTFs with different resonant frequencies.5 结论将光纤倏逝波技术应用于QEPAS技术中,搭建了全光纤结构的QEPAS测量系统.理论模拟计算了光纤倏逝场的光场分布以及倏逝场功率之比,优化了光束与石英音叉的空间位置、激光波长调制深度,对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终在较低共振频率30.720 kHz的石英音叉的实验研究中获得了6.25×10−4的探测极限,计算得到的系统归一化噪声等效吸收系数为4.18 × 10−7cm−1·W·Hz−1/2. 与传统块状光学系统相比,该光纤倏逝波型光路结构有效缩小了QEPAS系统探测单元的体积,提高了系统工作稳定性,有利于QEPAS痕量气体检测技术的实用化.参考文献[1]Khalil M A K,Rasmussen R A 1984 Science 224 54[2]Logan J A,Prather M J,Wofsy S C,McElroy M B 1981 J.Geophys.Res.86 7210[3]Kosterev A A,Bakhirkin Y A,Curl R F,Tittel F K 2002 Opt.Lett.27 1902[4]Liu K,Li J,Wang L,Tan T,Zhang W,Gao X M,Chen W D,Tittel F K 2009 Appl.Phys.B 94 527[5]Ma Y F,Lewicki R,Razeghi M,Tittel F K 2013 Opt.Express 21 1008[6]Zheng H,Yin X,Zhang G F,Dong L,Wu H P,Liu X L,Ma W G,Zhang L,Yin W B,Xiao L T,Jia S T 2015 Appl.Phys.Lett.107 221903[7]Ma Y F,He Y,Zhang L G,Yu X,Zhang J B,Sun R,Tittel F K 2017Appl.Phys.Lett.110 031107[8]Liu K,Zhao W,Wang L,Tan T,Wang G,Zhang W,Gao X,Chen W 2015mun.340 126[9]Dong L,Yu Y J,Li C G,So S,Tittel F K 2015 Opt.Express 23 19821[10]Ma Y F,He Y,Yu X,Chen C,Sun R,Tittel F K 2016 Sensor.Actuat.B 233 388[11]Ma Y F,Yu X,Yu G,Li X D,Zhang J B,Chen D Y,Sun R,Tittel F K 2015 Appl.Phys.Lett.107 021106[12]Ma Y F,He Y,Yu X,Zhang J B,Sun R 2016 Appl.Phys.Lett.108 091115[13]Marshall S T,Schwartz D K,Medlin J W 2009 Sensor.Actuat.B 136 315[14]Miller K L,Morrison E,Marshall S T,Medlin J W 2011 Sensor.Actuat.B 156 924[15]Webber M E,Pushkarsky M,Patel C K N 2003 Appl.Opt.42 2119[16]Ma Y F,Yu G,Zhang J B,Yu X,Sun R,Tittel F K 2015 Sensors 15 7596。

石英增强光声光谱技术研究进展马欲飞;佟瑶;何应;张立功;于欣【摘要】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.%Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy( QEPAS) is a new technique for gas detec-tion. It is revealed that QEPAS holds merits in many aspects, including small volume and high sen-sitivity. Therefore, it has become the hot researching topic of trace gas detection technique. This pa-per introduces the QEPAS technique principle and the structures of several different QEPAS sys-tems. Furthermore, the development prospect of this kind technique is also predicted.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)007【总页数】10页(P839-848)【关键词】石英增强光声光谱;痕量气体检测;激光器;石英音叉【作者】马欲飞;佟瑶;何应;张立功;于欣【作者单位】可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001;可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001;可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001;可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001;可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN247;TN249近年来，大气环境污染、全球气候变暖以及工业生产过程中危险气体的产生等问题日益引起人们的关注。

功率增强型的全光式QEPAS痕量气体检测系统研究
林成
【期刊名称】《内江师范学院学报》
【年(卷),期】2024(39)6
【摘要】石英增强光声光谱技术由于具有灵敏度高、噪声免疫能力强、体积小等优点,成了一种备受关注的痕量气体检测技术.本文设计了一种全光式QEPAS痕量气体检测系统,采用共振频率为32.7 kHz的石英音叉作为声传感器,结合光功率放大技术,实现了系统信号幅值的极大提高;以具有工作点自稳定特性的光纤珐珀干涉仪作为振动解调单元,极大地提高了系统的稳定性.以C2H2作为检测对象,采用波长调制和二次谐波解调技术,优化得到系统的最佳调制深度为0.171 cm-1、最佳激光位置距离音叉底部2.9 mm,最终得到QEPAS信号随C2H2浓度线性变化,其线性度为0.998,系统检测极限为30.3 ppb,由此得到系统的归一化等效噪声系数为2.51×10-8cm-1·W·Hz-1/2.最后在相同条件下,通过1小时连续工作测试验证了系统具有极好的稳定性.
【总页数】6页(P60-65)
【作者】林成
【作者单位】内江师范学院物理与电子信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH744
【相关文献】
1.基于全光型石英增强光声光谱的痕量气体探测系统研究
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5.全光式石英增强光声光谱痕量气体传感器
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第４０卷第６期２０１９年１１月应㊀用㊀光㊀学J o u r n a l o fA p p l i e dO p t i c s V o l ．４０N o ．６N o v ２０１９文章编号:１００２Ｇ２０８２(２０１９)０６Ｇ１１５２Ｇ０８收稿日期:２０１９Ｇ０６Ｇ１７;㊀修回日期:２０１９Ｇ０７Ｇ１１基金项目:国家自然科学基金面上项目(４１４７５０２３,６１７７５２２１)作者简介:曹渊(１９９４－),男,博士研究生,主要从事光声光谱技术在痕量气体与气溶胶测量中的应用研究.E Ｇm a i l :c y０４１３＠m a i l ．u s t c ．e d u ．c n 通信作者:刘锟,E Ｇm a i l :l i u k u n ＠a i o f m．a c ．c n ;张为俊,E Ｇm a i l :w j z h a n g＠a i o f m．a c ．c n 光声光谱气体传感技术研究进展曹㊀渊,解颖超,王瑞峰,刘㊀锟,高晓明,张为俊(中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥２３００３１)摘㊀要: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㊁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㊁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㊁工业过程控制与检测㊁医学诊断和国防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㊁石英音叉谐振增强型光声光谱㊁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.关键词:光声光谱;气体传感;激光;吸收;石英音叉;悬臂中图分类号:O ４３３．１;O ４２４㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀D O I :１０．５７６８/J A O ２０１９４０．０６０５００３R e c e n t a d v a n c e s o f p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y t e c h n i q u e s f o r g a s e s s e n s i n gC A O Y u a n ,X I EY i n g c h a o ,WA N G R u i f e n g ,L I U K u n ,G A O X i a o m i n g ,Z H A N G W e i j u n (A n h u i I n s t i t u t e o fO p t i c s a n dF i n eM e c h a n i c s ,C h i n e s eA c a d e m y of S c i e n c e s ,H e f e i ２３００３１,C h i n a )A b s t r a c t :P h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y h a s b e e n a n i m p o r t a n t b r a n c h o f s p e c t r o s c o p y,w h i c h r e f e r s t o ak i n do f s p e c t r a l s e n s i n g t e c h n o l o g y t h a t c o n v e r t s s a m p l e a b s o r b e do p t i c a l e n e r g y i n t o a c o u s t i c d e t e c t i o nw a v et h r o u g h p h o t o a c o u s t i ce f f e c ta n dr e a l i z e sd e t e c t i o no fs a m p l ec o m po s i t i o na n d c o n c e n t r a t i o na n a l y s i sw i t h a c o u s t i c s e n s o r ．I n a d d i t i o n t o h i g h s e l e c t i v i t y a n d h i g h s e n s i t i v i t y o f t h e s p e c t r u ma b s o r p t i o n ,p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y of f e r s s e v e r a l i n t r i n s i c a t t r a c t i v e f e a t u r e s ,i n c l u d i ng s i g n a l o n l y r e l a t e d t os a m p l e l i gh t a b s o r p ti o n ,f r e e f r o ms c a t t e r e d l i g h t ,z e r ob a c k g r o u n d a n ds i g n a l p r o p o r t i o n a lt oo p t i c a l p o w e r ,a s w e l la s m e a s u r e d w i t h w a v e l e n g t h Ｇi n d e p e n d e n t a c o u s t i c t r a n s d u c e r s ．M o r e a n dm o r e a p p l i c a t i o n s h a v e b e e n f o u n d i n t h e f i e l d s o f e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ,i n d u s t r i a l p r o c e s s c o n t r o l a n dd e t e c t i o n ,m e d i c a l d i a g n o s i s a n dh a z a r d o u s c h e m i c a l s d e t e c t i o ni n n a t i o n a l d e f e n s e ．B e s i d e s t h e t r a d i t i o n a lr e s o n a n t p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y t e c h n o l o g y ,t h e r e h a v eb e e nn e wt e c h n i q u e s s u c ha s c a n t i l e v e r e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y ,q u a r t z t u n i n g f o r k e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y a n d m u l t i Ｇc h a n n e l p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y ．T h er e c e n ta d v a n c e so f p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y t e c h n i q u e s f o r g a s e ss e n s i n ga r e r e v i e w e d ,a n d t h e i r a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s a n d f u t u r e d e v e l o p m e n t t r e n d s a r e a n a l y z e d ．K e y wo r d s :p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y ;g a ss e n s i n g ;l a s e r ;a b s o r p t i o n ;q u a r t zt u n i n g f o r k ;c a n t i l e v e r应用光学㊀２０１９,４０(６)㊀曹㊀渊,等:光声光谱气体传感技术研究进展引言光声光谱是基于１８８０年A．G．B e l l发现的光声效应的一种光谱技术[１],当处于分子吸收波段的光源照射到样品上时,样品分子吸收光能量而跃迁到激发态,处于激发态的分子通过碰撞弛豫回到基态,同时吸收的光能量转化为分子的内能,并导致分子的局部温度升高.当调制照射到样品分子上的激光时,分子的局部温度就产生周期性的变化,从而产生周期性的压力变化,即声波.用麦克风等声传感器记录声信号随激光波长的关系,就得到了光声光谱信号.光声光谱信号S的数学表达式可简写为S(λ)＝A P(λ) α(λ)(１)式中:A为光声池常数,由所设计的光声池系统决定;P(λ)为激光功率;α(λ)为样品的吸收系数.从式中可以看出光声信号与激光功率和样品吸收系数成比例,与其他因素无关.因此,经过标定的光声系统,通过样品的光声信号即可得知样品的浓度信息.尽管光声效应在１８８０年就已经被发现,但是由于缺乏合适的光源以及声学探测模块,光声光谱技术在此后很长的一段时间发展缓慢,直到上世纪６０年代末才逐渐开始用于气体的分析检测[２Ｇ４],７０年代末开始用于气溶胶的光学吸收测量分析[５].上世纪９０年代开始,随着激光技术㊁弱信号检测技术的快速发展,光声光谱技术也得到了快速的发展.例如中红外波段㊁瓦量级C O,C O２激光器,分布反馈半导体激光器(D F B),量子级联激光器(Q C L),超连续光源,黑体,外腔式量子级联激光器(E CＧQ C L),带间级联激光器(I C L),光学参量振荡器(O P O),激光二极管(L D),T H z等光源均已逐渐应用于光声光谱中,并已开发出各种仪器用于痕量气体分析,气溶胶光学吸收测量,变压器油中溶解气体分析检测等.与其它吸收光谱技术相比,光声光谱有其自身独特的特点.光声光谱探测的是被样品吸收的光能量而不是透射光强,是一种不受光散射影响的零背景光谱技术.光声光谱探测灵敏度与光和样品相互作用程长关系不大,而是和激光功率和样品吸收系数成正比,使用高功率激光可大大提高系统的探测灵敏度,如采用瓦量级的激光光源可实现p p t量级的探测灵敏度.因此,基于光声光谱的传感系统很容易实现系统的便携性,尤其能够在很小的样品容积内实现p p b或p p m 量级的高灵敏度探测.受益于光声信号与光和样品相互作用程长关系不大的特点,光声光谱具有非常宽的线性动态范围,可达１０８.另外,光声光谱技术通过光声效应把样品吸收光谱信号转换成声波探测,探测器(声传感器)不受光波长的限制,同一个光声光谱系统可以实现整个光波段的测量.除此之外,光声光谱还具有可以对任意相(固相㊁气相㊁液相以及气溶胶)进行测量的特点[６Ｇ７],不受物质形态的影响,已广泛用于气相㊁液相㊁固相分析检测和生物组织成像等方面.本文仅限于介绍光声光谱气体检测技术方面的研究进展.１㊀光声光谱气体检测技术１．１㊀传统共振光声光谱技术最初的光声光谱是低频调制,工作于非共振状态,存在环境噪声和低频噪声影响大的问题,信噪比较低,探测灵敏度较低.１９７３年,D e wＧe y[８]等人首次采用声学谐振腔的方法把微弱光声信号在声学谐振腔内共振放大,通过这种声放大器,光声信号的放大因子超过了１００倍,光声光谱技术的探测灵敏度进一步提高,从此诞生了高灵敏的共振光声光谱技术,推动了共振光声光谱技术及其相关理论的发展[９Ｇ１２].目前光声光谱气体传感基本都采用共振光声光谱技术方案.图１是传统共振光声光谱所用的典型的共振光声池,声传感器通常放置在波腹处进行光声信号的探测.为了有效消除同频环境噪声㊁窗口吸收噪声的干扰,常常在声学谐振腔的两端设有缓冲腔.图１㊀典型的传统共振光声池结构F i g．１㊀T y p i c a l s t r u c t u r e o f c o n v e n t i o n a l r e s o n a n tp h o t o a c o u s t i c c e l lG a n g C h e n g等人利用共振光声光谱技术开展了C２H６探测的研究[１３],在１０m s的积分时间下,对C２H６探测的灵敏度为１０p p m,可用于地下天然气管网泄漏检测中天然气管道泄漏和沼气泄３５１１应用光学第４０卷第６期漏的鉴别.近年来,L e iD o n g等人利用传统共振型光声光谱技术开展了S F６分解产物(H２S,C O, S O２)探测研究,可用于S F６绝缘高压电气设备缺陷或故障诊断领域[１４Ｇ１６].当前,传统共振光声光谱技术的发展还呈现出多种技术交叉融合的发展趋势.２０１７年,查申龙等人采用３D打印的一体化小型光声池,结合近红外D F B激光器,开展了C２H２气体共振光声光谱探测,其探测灵敏度达到０．３p p m[１７].Y u f e iM a等人在共振光声光谱中,引入棱镜折返方法,增加了有效光功率,探测灵敏度得到了提升,长时间平均的情况下,对C２H２的探测灵敏度可达６００p p t[１８].Q i a n g W a n g等人利用光纤环形激光器,开展了内腔共振光声光谱技术研究[１９],对C２H２的探测灵敏度达到了３９０p p b.L u o H a n等人将光声池与H e r r i o t t型多通池结合以增加光声系统的灵敏度,其中激光光源在光声池中可折返１８次[２０].W e iR e n等人结合腔衰荡光谱的光学谐振腔技术,开展了高精细度光腔增强的共振光声光谱技术[２１],有效光功率提高了６３０倍,是当前所有光声光谱气体检测技术中所报道的最高探测灵敏度,其功率归一化的最小可探测等效噪声吸收系数为１．１ˑ１０－１１c m－１W H z－１/２.１．２㊀悬臂增强型光声光谱技术前面所述的传统共振光声光谱基本上都采用麦克风来探测光声信号,麦克风本身的灵敏度已成为限制光声光谱探测灵敏度的一个重要因素,因此研究新型光声信号传感器是光声光谱技术发展的另一个重要方向.２００３年芬兰的K．W i l c kＧe n等人报道了一种新颖的光声光谱技术[２２].他们利用一个悬臂来代替麦克风探测光声信号,从理论和实验上分别证明了这种方法可以得到更高的探测灵敏度,这种光声光谱技术被称为悬臂增强型光声光谱.悬臂增强型光声光谱系统结构如图２所示[２３].在悬臂增强型光声光谱中,光声效应产生的声波使悬臂产生位移,悬臂的位移量通过一个微型迈克尔逊干涉仪来测量,最后通过悬臂的位移量来表征光声信号.由于悬臂的一端固定而另一端悬空,因此其对声压的灵敏度远远高于四周固定的麦克风薄膜.悬臂增强型光声光谱的探测灵敏度高达１．４ˑ１０－１０c m－１W H z－１/２[２４].２０１８年,M i c h a lD o s t a l等人利用悬臂增强型光声光谱技术结合量子级联激光器,开展了对生物质燃烧产生的样品:H C O O H,C H３C N,C H３O H, C H３C O C H３,C O２和N２O的测量研究[２５].T o mＧm iM i k k o n e n等人报道了基于中红外超连续光源的悬臂增强光声光谱技术[２６].T e e m u T o m b e r g 等人结合高功率㊁窄线宽的中红外连续波O P O与悬臂增强型光声光谱对H F进行了探测,在３２m i n的时间内,噪声等效浓度可达到６５０p p q[２７]．芬兰的G A S E R A公司研发了基于悬臂光声光谱的分析仪,用于分析测量气体㊁有机挥发物等,仪器装置如图３所示.图２㊀悬臂增强型光声光谱探测原理图F i g．２㊀S c h e m a t i c o f c a n t i l e v e r e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y d e t e c t i on图３㊀芬兰G A S E R A公司研发的悬臂增强光声光谱仪F i g．３㊀C a n t i l e v e r e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o m e t e rd e v e l o p e db y F i n n i s hG A S E R A近年来,悬臂光声光谱技术与光纤技术相结合,发展了光纤式悬臂光声光谱技术.２０１８年,K e C h e n等人设计了一种新型的法布里Ｇ珀罗(FＧP)悬臂式麦克风,其位移分辨率可以达到皮米量级[２８],其基本实验装置如图４所示.同时该悬臂式麦克风的信噪比比电容式麦克风高达１０倍以上.２０１９年,K eC h e n等人利用该悬臂式全光纤光声光谱实验装置,开展了对H２S气体探测的研究,其探测灵敏度在１０s的时间内达到３３p p b[２９].最近,K u n L i u等人报道基于压电薄膜的悬臂光声光谱新技术[３０],在这一技术方案中,探测的悬臂采用了具有压电特性的薄膜,光声信号激发悬臂振动时,薄膜悬臂的压电特性直接产生了电信号,不再需要光学干涉仪等设备对其振动进行测量,结构更加简单化,其基本装置如图５所示.１．３㊀石英音叉谐振增强光声光谱技术石英音叉谐振增强光声光谱是近年来迅速发４５１１应用光学㊀２０１９,４０(６)㊀曹㊀渊,等:光声光谱气体传感技术研究进展图４㊀光纤式悬臂传感结构示意图[２８]F i g ．４㊀S t r u c t u r e d i a g r a mo f f i b e r o p t i c c a n t i l e v e r s e n s i n g[２８]图５㊀基于压电薄膜的悬臂式光声光谱[３０]F i g ．５㊀C a n t i l e v e r p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y ba s e do n pi e z o e l e c t r i c f i l m [３０]展起来的一种新型光声光谱技术,２００２年由美国R i c e 大学的F r a n k T i t t e l 研究小组首次报道[３１].石英音叉谐振增强光声光谱(简写为:Q E P A S )采用具有压电特性的㊁高品质因数的石英音叉晶振来探测微弱的光声信号.通过将微弱光声信号的频率与石英音叉晶振谐振频率同频,使石英音叉晶振发生共振,实现微弱光声能量的积累与放大,并通过其压电特性把光声信号转化为电信号输出.Q E P A S 的基本原理如图６所示,对激光光源以一定频率进行调制(波长调制时为f /２,振幅调制时为f ),其中f 为石英音叉的共振频率,随后通过聚焦透镜对激光进行准直和聚焦,使其通过石英音叉两个臂之间的狭缝,样品吸收光后产生的声信号激发石英音叉共振从而产生压电电流,最后用锁相放大器进行信号解调即可得到光声信号.Q E P A S 最大的特点是体积小(石英音叉~Φ３m mˑ８m m )㊁品质因数Q 值高(常压下~１００００,真空下达~１０００００),可有效抑制环境噪声,因此图６㊀石英音叉谐振增强光声光谱原理图F i g ．６㊀S c h e m a t i c o f q u a r t z t u n i n gf o r k r e s o n a n c e e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y得到了快速的发展.为了进一步增强探测性能,常在Q E P A S 中增加微小型声学共振管,其中常用的一种方式是在光路上的石英音叉两侧各加一个内径约为~０．５m m 的声管,其基本结构如图７(a )所示.L e i D o n g 等人对管的尺寸参数进行详细的研究[３２],通过优化的管尺寸参数,信号能增强１０~３０倍.在这种技术基础上,L e iD o n g 等人还提出了多管Ｇ双光路Q E P A S 技术,其基本结构如图７(b )所示[３３].K u nL i u 等人创新性提出了离轴石英音叉谐振增强光声光谱技术[３４],在这种离轴技术中,光不再通过石英音叉两个臂间的狭缝,而是直接通过一个声学谐振腔,在声学谐振腔中间开一个狭缝,石英音叉安装在狭缝外探测声学谐振腔内的共振光声信号,其基本结构如图７(c )所示,同时通过音叉自身的共振,进一步增强光声信号,增强因子在２０左右.离轴方法的优势在于信号增强效果明显,同时不受狭小的石英音叉狭缝的限制,降低了对光束质量的要求,可根据光源光束质量,选择不同内径的声学谐振腔,对于光束质量差的宽带光源㊁中红外光源尤为适用[３５Ｇ４０].在此基础之上,C h u a n t a oZ h e n g 等人提出了双管增强离轴Q E P A S 技术[４１],如图７(d)所示,信号增强因子达到３０.S ．B o r r i 等人利用光声信号与光功率成正比的特性,开展了光腔增强Q E P A S 技术[４２],通过光腔增强有效光功率增强了~５００倍,探测性能提高一个数量级,功率归一化的最小可探测等效噪声吸收系数达到１０－１０c m －１W H z－１/２,实现了３００p p t 的C O ２探测灵敏度,其基本结构如图７(e )所示.基于Q E P A S 的高灵敏度和小巧的特点,Q E P A S 技术得到了快速的发展,应用的光源覆盖了可见光㊁近红外㊁中红外到太赫兹(T H z )波段[４３Ｇ４７],目前已有多篇综述性论文详细介绍了Q E P A S 技术,相关读者可参考文献[４８Ｇ４９]进行更详细了解.５５１１应用光学第４０卷第６期图７㊀典型的石英音叉增强型光声光谱结构图F i g．７㊀T y p i c a l s c h e m a t i c o f q u a r t z t u n i n g f o r k e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y１．４㊀多通道光声光谱技术一般的共振光声光谱中,只有一个声学共振腔,其对应只有一个最佳的工作频率f０,在采用多光源进行多组分同时探测时,无法区分㊁提取各光源所对应的光声信号,只能采用时分复用或单个光源对应单个光声池的方式,大大增加了光声光谱多组分探测系统的复杂性,体积以及成本.这限制了光声光谱同时探测多组分的能力,一定程度上也限制了光声光谱技术的应用与发展.虽然宽调谐范围的激光可以实现一个光声系统多组分探测,但这样的光源成本非常昂贵,不适合光声检测仪器的研发.因此,光声光谱仪器如何采用多光源实现多组分同时探测一直是一个有待解决的技术瓶颈.H．W u等人报道了基于石英音叉基频和泛频共振的双组分同时探测技术,实现了对C２H２和H２O的同时探测[５０].２０１７年,K u nL i u等人报道了开创性的多通道共振光声光谱技术[５１],这一技术中,单个光声池内设有３个不同共振频率的声学谐振腔,使各声学谐振腔的光声信号互不干扰,３个声学谐振腔的信号通过声导管汇聚到一起,这样仅用一个声传感器就实现了各个声学谐振腔中光声信号的同时探测,图８即为新型的多通道共振光声光谱机构示意图[５１].其中这一技术的可行性已通过同步测量水汽(H２O)㊁二氧化碳(C O２)和甲烷(C H４)得到了验证,获得的最小可探测系数达到了１０－９c m－１W H z－１/２,与传统光声光谱的器件性能基本一致.图８㊀多通道共振光声光谱结构示意图F i g．８㊀S c h e m a t i c o fm u l t i c h a n n e l r e s o n a n c e p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y２㊀结束语光声光谱技术因其结构简单,成本较低,体积较小,灵敏度较高等优势在气体传感领域中有着广泛的应用.本文对光声光谱技术在气体检测领域的优势及应用进行了分析,总结.其中重点介绍了传统共振光声光谱,悬臂增强型光声光谱技术,石英音叉谐振增强光声光谱技术以及多通道光声光谱技术的原理㊁发展进程,及其在当前环境监测,生物质燃烧,电气设备故障诊断等气体传感领域中最新的研究进展.多组分气体同时探测是当前气体传感领域的研究热点之一,目前已报道有多种基于吸收光谱(腔增强,光学多通池)的技术进行多组分气体传感.除了文中已提到多通道光声光谱技术可用于多组分气体同时探测外,可６５１１应用光学㊀２０１９,４０(６)㊀曹㊀渊,等:光声光谱气体传感技术研究进展以预见具有较宽光谱范围,高分辨率的光频梳未来将在光声光谱领域有着重要的应用,推动光声光谱技术的进一步发展.参考文献:[１]㊀B E L L A G．O nt h e p r o d u c t i o na n dr e p r o d u c t i o no f s o u n db y l i g h t[J]．A m e r i c a n J o u r n a l o f S c i e n c e,１８８０(１１８):３０５Ｇ３２４．[２]K E R R E L,A TWO O DJG．T h el a s e r i l l u m i n a t e da b s o r p t i v i t y s p e c t r o p h o n e:A m e t h o df o r m e a s u r eＧm e n to f w e a ka b s o r p t i v i t y i n g a s e sa tl a s e r w a v eＧl e n g t h s[J]．A p p l i e dO p t i c s,１９６８,７(５):９１５Ｇ９２１．[３]K R E U Z E RLB．U l t r a l o w g a s c o n c e n t r a t i o n i n f r a r e da b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y[J]．J o u r n a l o f A p p l i e dP h y s i c s,１９７１,４２(７):２９３４Ｇ２９４３．[４]HA R S H B A R G E R W R,R O B I N M B．O p t oＧa c o u s t i ce f f e c t:R e v i v a l o f a no l d t e c h n i q u e f o rm o l e c u l a r s p e cＧt r o s c o p y[J]．A c c o u n t so fC h e m i c a lR e s e a r c h,１９７３,６(１０):３２９Ｇ３３４．[５]B R U C EC W,P I N N I C K R G．I nＧs i t um e a s u r e m e n t s o f a e r o s o l a b s o r p t i o nw i t har e s o n a n t c wl a s e r s p e cＧt r o p h o n e[J]．A p p l i e dO p t i c s,１９７７,１６(７):１７６２．[６]Y I N X K,D O N GL,WU HP,e t a l．S u bＧp p b n i t r oＧg e n d i o x i d e d e t e c t i o n w i t h al a r g el i n e a r d y n a m i cr a n g eb y u s e o f ad i f f e r e n t i a l p h o t o a c o u s t i c c e l l a n da ３．５W b l u e m u l t i m o d ed i o d el a s e r[J]．S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,２０１７,２４７:３２９Ｇ３３５．[７]Z H O U Y,C A O Y,Z HU G D,e ta l．D e t e c t i o no f n i t r o u s o x i d eb y r e s o n a n t p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p yb a s e do nm i d i n f r a r e d q u a n t u mc a s c ade l a s e r[J]．A cＧt aP h y s．S i n．,２０１８,６７:０８４２０１Ｇ１Ｇ０８４２０１Ｇ７．[８]D E W E YCFJ r,K AMM RD,HA C K E T TCE．AＧc o u s t i ca m p l i f i e r f o rde t e c t i o no fa t m o s p h e r i c p o l l uＧt a n t s[J]．A p p l i e d P h y s i c sL e t t e r s,１９７３,２３(１１):６３３Ｇ６３５．[９]K AMM RD．D e t e c t i o n o fw e a k l y a b s o r b i n gg a s e s uＧs i n g ar e s o n a n to p t o a c o u s t i c m e t h o d[J]．J o u r n a lo fA p p l i e dP h y s i c s,１９７６,４７(８):３５５０Ｇ３５５８．[１０]G U P T AJP,S A C H D E V R N．T h e o r e t i c a lm o d e l o fa no p t o a c o u s t i cd e t e c t o r[J]．A p p l i e d P h y s i c s L e tＧt e r s,１９８０,３６(１２):９６０Ｇ９６２．[１１]B I J N E NFGC,R E U S SJ,HA R R E N FJ M．G e oＧm e t r i c a l o p t i m i z a t i o no f a l o n g i t u d i n a l r e s o n a n t p h oＧt o a c o u s t i c c e l l f o rs e n s i t i v ea n df a s t t r a c e g a sd e t e cＧt i o n[J]．R e v i e w o fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n t s,１９９６,６７(８):２９１４Ｇ２９２３．[１２]M I K LÓSA,H E S SP,B O ZÓK I Z．A p p l i c a t i o n o f aＧc o u s t i c r e s o n a t o r s i n p h o t o a c o u s t i c t r a c e g a sa n a l y s i sa n dm e t r o l o g y[J]．R e v i e wo fS c i e n t i f i c I n s t r u m e n t s,２００１,７２(４):１９３７Ｇ１９５５．[１３]C H E N G G,C A O Y,L I U K,e ta l．P h o t o a c o u s t i c m e a s u r e m e n t o f e t h a n ew i t hn e a rＧi n f r a r e dD F Bd i o d e l a s e r[J]．J o u r n a l o f S p e c t r o s c o p y,２０１８,９７６５８０６:１Ｇ５．[１４]Y I N X K,D O N GL,WU HP,e t a l．P p bＧl e v e lH２Sd e t e c t i o n f o r S F６d e c o m p o s i t i o nb a s e do na f i b e rＧa mＧp l i f i e d t e l e c o m m u n i c a t i o n d i o d el a s e r a n d a b a c kＧg r o u n dＧg a sＧi n d u c e d h i g hＧQ p h o t o a c o u s t i c c e l l[J]．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s,２０１７,１１１(３):０３１１０９．[１５]Y I N XK,WU HP,D O N GL,e t a l．P p bＧl e v e l p h oＧt o a c o u s t i cs e n s o rs y s t e mf o rs a t u r a t i o nＧf r e eC O d eＧt e c t i o no f S F６d e c o m p o s i t i o nb y u s eo f a１０Wf i b e rＧa m p l i f i e dn e a rＧi n f r a r e dd i o d el a s e r[J]．S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,２０１９,２８２:５６７Ｇ５７３．[１６]Y I N X K,D O N GL,WU H P,e t a l．H i g h l y s e n s iＧt i v eS O_２p h o t o a c o u s t i c s e n s o r f o rS F_６d e c o m p o s iＧt i o n d e t e c t i o n u s i n g a c o m p a c t mWＧl e v e l d i o d eＧp u m p e d s o l i dＧs t a t e l a s e r e m i t t i n g a t３０３n m[J]．O pＧt i c sE x p r e s s,２０１７,２５(２６):３２５８１．[１７]Z HASL,L I U K,Z HU G D,e t a l．A c e t y l e n ed eＧt e c t i o nb a s e d o n r e s o n a n t h i g h s e n s i t i v e p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y[J]S p e c t r o s c．S p e c t r．A n a l．,２０１７,３７:２６７３Ｇ２６７８．[１８]MA YF,Q I A OSD,H EY,e t a l．H i g h l y s e n s i t i v ea c e t y l e n ed e t e c t i o nb a s e do n m u l t iＧp a s sr e t r oＧr e f l e cＧt i o nＧc a v i t yＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y a n da f ib e ra m p l i f i e d d i o d el a s e r[J]．O p t ic s E x p r e s s,２０１９,２７(１０):１４１６３．[１９]WA N G Q,WA N GZ,C HA N GJ,e t a l．F i b e rＧr i n g l a s e rＧb a s e d i n t r a c a v i t yp h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y f o r t r a c e g a s s e n s i n g[J]．O p t i c s L e t t e r s,２０１７,４２(１１):２１１４．[２０]HA NL,C H E N XL,X I A H,e t a l．An o v e l p h o t oＧc o u s t i cs p e c t r o s c o p y s y s t e mf o r g a sde t e c t i o nb a s e do n t h em u l t iＧp a s s c e l l[J]．P r o c e e d i n g so f t h eS P I E,２０１６,１００２５:１００２５０NＧ１Ｇ１００２５０NＧ７．[２１]WA N GZ,WA N G Q,Z HA N G W P,e t a l．U l t r aＧs e n s i t i v e p h o t o a c o u s t i c d e t e c t i o n i n a h i g hＧf i n e s s ec a v i t y w i t h p o u n dＧd re v e rＧh a l l l o c k i n g[J]．O p t i c sL e tＧt e r s,２０１９,４４(８):１９２４．[２２]W I L C K E N K,K A U P P I N E N J．O p t i m i z a t i o no fa m i c r o p h o n e f o r p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y[J]．A pＧp l i e dS p e c t r o s c o p y,２００３,５７(９):１０８７Ｇ１０９２．[２３]K O S K I N E N V,F O N S E NJ,R O T H K,e t a l．P r oＧ７５１１应用光学第４０卷第６期g r e s s i nc a n t i l e v e re n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o sＧc o p y[J]．V i b r a t i o n a lS p e c t r o s c o p y,２００８,４８(１):１６Ｇ２１．[２４]L A U R I L A T,C A T T A N E O H,PÖY HÖN E N T,e ta l．C a n t i l e v e rＧb a s e d p h o t o ac o u s t i cde t e c t i o no fc a rＧb o nd i o x i d eu s i n g af i b e rＧa m p l i f i e dd i o d el a s e r[J]．A p p l i e dP h y s i c sB,２００６,８３(２):２８５Ｇ２８８．[２５]D O S T L M,S U C H N E K J,V L E K V,e ta l．C a n t i l e v e rＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cd e t e c t i o na n di nＧf r a r e d s p e c t r o s c o p y o f t r a c e s p e c i e s p r o d u c e db y b i oＧm a s sb u r n i n g[J]．E n e r g y&F u e l s,２０１８,３２(１０):１０１６３Ｇ１０１６８．[２６]M I K K O N E N T,AM I O T C,A A L T O A,e ta l．B r o a d b a n d c a n t i l e v e rＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e cＧt r o s c o p y i nt h e m i dＧI R u s i n g as u p e r c o n t i n u u m[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１８,４３(２０):５０９４．[２７]T OM B E R GT,V A I N I O M,H I E T A T,e t a l．S u bＧp a r t sＧp e rＧt r i l l i o n l e v e l s e n s i t i v i t y i nt r a c e g a sd e t e cＧt i o nb y c a n t i l e v e rＧe n h a n c e d p h o t oＧa c o u s t i cs p e c t r o sＧc o p y[J]．S c i e n t i f i cR e p o r t s,２０１８,８:１８４８．[２８]C H E N K,Y UZH,Y U QX,e t a l．F a s tde m o d u l aＧt e dw h i t eＧl i g h t i n t e rf e r o m e t r yＧb a s e df i b e rＧo p t i cF a bＧr yＧP e r o t c a n t i l e v e r m i c r o p h o n e[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１８,４３(１４):３４１７Ｇ３４２０．[２９]C H E N K,Z HA N G B,L I U S,e t a l．P a r t sＧp e rＧb i lＧl i o nＧl e v e l d e t e c t i o n o f h y d r o g e n s u l f i d e b a s e d o nn e a rＧi n f r a r e da l lＧo p t i c a l p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y[J]．S e n s o r s a n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,２０１９,２８３:１Ｇ５．[３０]L I U K,C A O Y,WA N GGS,e t a l．An o v e l p h o t oＧa c o u s t i c s p e c t r o s c o p y g a s s e n s o r u s i n g a l o wc o s t p o lＧy v i n y l i d e n e f l u o r i d e f i l m[J]．S e n s o r sa n d A c t u a t o r s B:C h e m i c a l,２０１８,２７７:５７１Ｇ５７５．[３１]K O S T E R E V A A,B A K H I R K I N Y A,C U R LRF,e ta l．Q u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y[J]．O p t i c sL e t t e r s,２００２,２７(２１):１９０２Ｇ１９０４．[３２]D O N GL,K O S T E R E V A A,T H OMA Z YD,e t a l．Q E P A S s p e c t r o p h o n e s:d e s i g n,o p t i m i z a t i o n,a n d p e r f o r m a n c e[J]．A p p l i e dP h y s i c sB,２０１０,１００(３):６２７Ｇ６３５．[３３]D O N GL,WU H P,Z H E N G H D,e t a l．D o u b l e aＧc o u s t i cm i c r o r e s o n a t o r q u a r t zＧe n h a n c ed p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y[J]．O p t．L e t t．,２０１４,３９:２４７９Ｇ２４８２．[３４]L I U K,G U OXY,Y IH M,e t a l．O f fＧb e a m q u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y[J]．O p t i c sL e tＧt e r s,２００９,３４(１０):１５９４Ｇ１５９６．[３５]L I ZL,S H I C,R E N W．M i dＧi n f r a r e dm u l t i m o d e f iＧb e rＧc o u p l ed q u a n t u m c a s c a de l a s e rf o r o f fＧb e a mq u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cd e t e c t i o n[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１６,４１(１７):４０９５Ｇ４０９８．[３６]Y IH M,L I U K,C H E N W D,e t a l．A p p l i c a t i o no f ab r o a d b a n db l u e l a s e r d i o d e t o t r a c eN O_２d e t e c t i o n u s i n g o f fＧb e a m q u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e cＧt r o s c o p y[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１１,３６(４):４８１Ｇ４８３．[３７]Z H E N G H D,D O N GL,Y I N X K,e t a l．P p bＧl e v e l Q E P A SN O２s e n s o rb y u s eo fe l e c t r i c a lm o d u l a t i o nc a n c e l l a t i o nm e t h o dw i t hah i g h p o w e r b l u eL E D[J]．S e n s o r s a n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,２０１５,２０８:１７３Ｇ１７９．[３８]RÜC K T,B I E R L R,MA T Y S I K F．N O２t r a c e g a s m o n i t o r i n g i n a i r u s i n g o f fＧb e a m q u a r t z e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y(Q E P A S)a n di n t e r f e rＧe n c e s t u d i e st o w a r d sC O２,H２O a n da c o u s t i cn o i s e[J]．S e n s o r s a n dA c t u a t o r s B:C h e m i c a l,２０１８,２５５:２４６２Ｇ２４７１．[３９]BÖT T G E RS,KÖH R I N G M,W I L L E R U,e ta l．O f fＧb e a m q u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p yw i t hL E D s[J]．A p p l i e dP h y s i c sB,２０１３,１１３(２):２２７Ｇ２３２．[４０]L A S S E N M,L AMA R DL,F E N G Y Y,e t a l．O f fＧa x i s q u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y uＧs i n g a p u l s e dn a n o s e c o n d m i dＧi n f r a r e do p t i c a l p a r aＧm e t r i c o s c i l l a t o r[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１６,４１(１７):４１１８Ｇ４１２１．[４１]HU L E,Z H E N G C T,Z H E N GJ,e ta l．Q u a r t z t u n i n g f o r ke m b e d d e do f fＧb e a m q u a r t zＧe n h a n c e d p h oＧt o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１９,４４(１０):２５６２Ｇ２５６５．[４２]B O R R I S,P A T I M I S C O P,G A L L I I,e ta l．I n t r aＧc a v i t yq u a r t zＧe n h a n c ed p h o t o a c o u s t i c se n s o r[J]．A pＧp l i e dP h y s i c sL e t t e r s,２０１４,１０４(９):１４３Ｇ１６２．[４３]H EY,MA Y F,T O N G Y,e ta l．H C N p p tＧl e v e ld e t e c t i o nb a s e do na Q E P A Ss e n s o r w i t ha m p l i f i e dl a s e r a n dam i n i a t u r i z e d３DＧp r i n t e d p h o t o a c o u s t i cd eＧt e c t i o nc h a n n e l[J]．O p t i c sE x p r e s s,２０１８,２６(８):９６６６Ｇ９６７５．[４４]P A T I M I S C O P,B O R R IS,S AM P A O L O A,e t a l．A q u a r t z e n h a n c e d p h o t oＧa c o u s t i c g a s s e n s o r b a s e d o na c u s t o mt u n i n g f o r k a n d a t e r a h e r t z q u a n t u mc a s c a d el a s e r[J]．T h eA n a l y s t,２０１４,１３９(９):２０７９Ｇ２０８７．[４５]B o r r i S,P a t i m i s c oP,S a m p a o l oA,e t a l．T e r a h e r t z q u a r t ze n h a n c e d p h o t oＧa c o u s t i cs e n s o r[J]．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s,２０１３,１０３(２):５７９．[４６]S AM P A O L O A,P A T I M I S C OP,G I G L I O M,e t a l．I m p r o v e dt u n i n g f o r kf o rt e r a h e r t z q u a r t zＧe n h a n c e d８５１１应用光学㊀２０１９,４０(６)㊀曹㊀渊,等:光声光谱气体传感技术研究进展p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y[J]．S e n s o r s,２０１６,１６(４):４３９．[４７]S P A G N O L O V,P A T I M I S C O P,P E N N E T T A R,e t a l．T H z q u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs e n s o rf o rH St r a c e g a sd e t e c t i o n[J]．O p t i c sE x p r e s s,２０１５,２３(６):７５７４Ｇ７５８２．[４８]P A T I M I S C O P,S C AMA R C I O G,T I T T E L F,e ta l．Q u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y:Ar e v i e w[J]．S e n s o r s,２０１４,１４(４):６１６５Ｇ６２０６．[４９]P A T I M I S C O P,S AM P A O L O A,D O N G L,e ta l．R e c e n ta d v a n c e si n q u a r t z e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs e n s i n g[J]．A p p l i e d P h y s i c s R e v i e w s,２０１８,５(１):０１１１０６．[５０]WU H P,Y I N X K,D O N G L,e t a l．S i m u l t a n e o u sd u a lＧg a s qe p a sd e t e c t i o nb a s e do naf u n d a m e n t a l a n do v e r t o n ec o m b i n e d v i b r a t i o n o f q u a r t zt u n i n g f o r k[J]．A p p l．P h y s．L e t t．,２０１７,１１０:１２１１０４Ｇ１Ｇ１２１１０４Ｇ４．[５１]L I U K,M E IJX,Z HA N G W J,e ta l．M u l t iＧr eＧs o n a t o r p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y[J]．S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,２０１７,２５１:６３２Ｇ６３６．９５１１。

激光激励下石英音叉的振动分析与测量
马斌山;贾书海;张周强;陈花玲
【期刊名称】《西安交通大学学报》
【年(卷),期】2014(048)010
【摘要】针对民航客机微量爆炸物的检测这一难题,对采用石英音叉的光声信号探测原理进行了分析,对光声光谱遥测的光路进行了简化,减少了激光能量的损失,然后建立了实验系统,对石英音叉在激光直接激励时的幅频特性进行了测试,探讨了激光光照位置对于石英音叉振幅的影响.结果表明,当激光光斑在石英音叉叉臂根部偏上约0.2 mm处时,石英音叉振幅达到最大值,激光光斑继续向上移动,石英音叉振幅减小,验证了石英音叉振幅与激光功率成正比这一论点.该研究为后续开展远距离光声光谱遥测奠定了基础.
【总页数】5页(P49-53)
【作者】马斌山;贾书海;张周强;陈花玲
【作者单位】西安交通大学机械工程学院,710049,西安;西安交通大学机械工程学院,710049,西安;西安交通大学机械工程学院,710049,西安;西安交通大学机械工程学院,710049,西安
【正文语种】中文
【中图分类】TN249
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1.水平振动激励下的层状软土振动及其隔振分析 [J], 张帅;陈清军
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一种基于通孔技术的新型石英音叉振子
高志祥;姜凡;李坡
【期刊名称】《科学技术创新》
【年(卷),期】2023()2
【摘要】石英具有很高的品质因数,因此用石英加工的频率元件也具有极高的稳定性,能大大提高系统的时间精度。

32.768 KHz的表晶利用其压电效应产生精准可靠的时间基准,随着石英频率元件领域对半导体光刻技术的引入,适用于表贴型小型化表晶的音叉振子的研究正不断深入。

介绍了音叉的基本工作原理及阻抗改进的凹槽技术,提出一种以通孔导通正反面槽电极的新型石英音叉振子方案,极大的缩短供电线路,减少电流流通过程中的电能损耗,提升音叉振子的低功耗性能,同时提高音叉结构的对称,在一定程度上提升表晶的性能稳定性。

【总页数】4页(P54-57)
【作者】高志祥;姜凡;李坡
【作者单位】南京中电熊猫晶体科技有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN752
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