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全光學光致熱聲光譜實現高靈敏度非接觸式的硫化氫氣體傳感
石英音叉（quartz tuning fork, QTF）作為一種基于壓電特性的諧振聲電換能器，自2002年以來已成功應用于痕量氣體光聲傳感中，稱為石英增強光聲光譜（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS）。QTF具有高共振頻率、高質量系數、小尺寸和成本低的優點，這使 QEPAS傳感器具有對環境聲噪聲的免疫力。相較于傳統光聲光譜傳感器傳感器，QEPAS技術具有分析超小體積氣體樣本的能力。但是，QEPAS傳感器的運行需要QTF與待測氣體接觸，這使得QTF易被腐蝕且性能可能會惡化，從而限制了QEPAS傳感器在一些惡劣環境中的應用，如燃燒場診斷、腐蝕性氣體測量。
光致熱聲光譜（light-induced thermoacoustic spectroscopy, LITS作為一種基于激光吸收光譜的氣體傳感方法，于2018年報道。該方法使用QTF作為光熱探測器，與在 QEPAS 傳感器中測量氣體吸收光能產生的聲信號不同，QTF被用來測量 LITS傳感器中光強度的吸收變化。光束被引導到QTF的表面上，而不是在其間隙之間。QTF對光吸收產生的熱能通過光-熱彈性轉換轉化為QTF的機械振動（此振動也會進一步產生聲波），并因其共振特性而增強了振動。
LITS 傳感器系統與可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）的傳感器系統相似，只是商用光電探測器被QTF取代。因此，與傳統的PAS/QEPAS傳感器相比，LITS傳感器可以實現非接觸式測量，很好地避免了元器件腐蝕老化的問題。與傳統的商業光電探測器TDLAS技術相比，LITS技術具有成本低、體積小、靈敏度高、大功率動態范圍和能通過增加激發激光功率來增強信號的優點，特別是它可以實現整個紅外光譜區域痕量氣體檢測，甚至太赫茲光譜區域，不需要任何冷卻系統。
近日，來自華中科技大學和山西大學的聯合研究團隊發表了一種基于全光學光致熱聲光譜（All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy, AO-LITS）的氣體傳感技術，采用了商用標準QTF作為光熱探測器，QTF的振動通過高靈敏度光纖法（Fabry-Pérot FP interferometry, FPI）技術測量，而不是傳統 LITS 中的壓電檢測。為了提高傳感器系統的穩定性和實用性，研究組采用3D打印技術設計并制作了一個基于QTF 的集成光纖FPI模塊。將雙波長解調系統與橢圓擬合差分交叉乘法算法應用于所開發的AO-LITS傳感器系統中。該全光檢測方案具有靈敏度高、可遠程檢測和抗電磁干擾的優點。項目成果《All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing》在2022年九月發表于《Photoacoustics》。
圖1 基于QTF的集成光纖FPI模塊(a)三維原理圖(b)照片。
基于AO-LITS技術，研究組開發了一個硫化氫傳感器系統，實現了非接觸式測量。傳感器采用一個1576.29 nm的分布式反饋（distributed feedback, DFB）激光器作為硫化氫檢測的激發光源。昕虹光電為該項目提供了一個有效光路長度為3.3 m的赫里奧特多通氣體池以增強對硫化氫氣體的光吸收。相比于傳統基于壓電探測的LITS傳感器系統，該系統將探測靈敏度提高了3倍,在大氣壓下對硫化氫的檢測限達到了422 ppb。由于QTF不需要與目標氣體接觸，AO-LITS可以實現非接觸測量，并避免氣體氣流噪聲對高靈敏度光學檢測的干擾。實驗結果也表明，基于AO-LITS的硫化氫氣體傳感器對長期檢測具有良好的穩定性。
圖2 AO-LITS傳感器系統的實驗裝置
參考文獻：Yufeng Pan, Jinbiao Zhao, Ping Lu, Chaotan Sima, Wanjin Zhang, Lujun Fu, Deming Liu, Jiangshan Zhang, Hongpeng Wu, Lei Dong, All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing, Photoacoustics, Volume 27, 2022, 100389,
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