全光型石英增强光声光谱-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 22 (2013) 220701 全光型石英增强光声光谱* † 刘研研 董磊 武红鹏 郑华丹 马维光 张雷 尹王保 贾锁堂 ( 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西大学激光光谱研究所, 太原 030006 ) ( 2013年7月18 日收到; 2013年8月20 日收到修改稿) 设计并演示了一种全光型石英增强光声光谱技术, 该技术在传统的石英增强光声光谱系统中增加了另一束探 测光束, 把与气体浓度成正比的石英晶振振臂的振动幅值转化为探测光束的强度变化, 实现了探测气体处无电子元 件的全光学系统. 如此的设计使该系统具有较强的抗电磁干扰能力和非常小的传感头体积, 能够用于探测空间受限 或探测环境恶劣的情况下, 并实现远距离探测. 在这种配置下, 探测大气压下的水汽, 获得的噪声等效吸收系数为 113 × 10−6 cm−1W/√Hz. 进一步讨论了优化系统和提升其探测灵敏度的途径. 关键词: 石英增强光声光谱, 音叉式石英晶振, 气体传感 PACS: 07.07.Df, 07.05.Fb, 42.55.Px, 33.20.Ea DOI: 10.7498/aps.62.220701 环境下, 目前的方法与装置在应用方面存在一些局 1 引言 限性. 首先, 跨阻抗前置放大电路必须放置在距离 QTF 非常近的地方, 这个距离一般不会超过5 cm, 痕量气体的在线检测在工业控制过程、环境 以避免微弱的压电信号经过长距离传输后淹没在 监测、医疗诊断、汽车尾气分析等不同领域中有 噪声之中; 其次, 为了避免灵敏的前置放大电路受 着广泛的应用 1−3 . 在传统的石英增强光声光谱 外界电磁场的干扰, 必须使用接地良好的电磁屏蔽 (QEPAS) 技术中4−7 , 一束波长对应目标气体吸收 罩, 否则电子噪声基底会很高. 即便这样, 在强电磁 线的激光被波长调制后由光学透镜汇聚于音叉式 干扰下, 前置放大电路也会受到影响. 因此, 在传统 石英晶振(QTF) 的两振臂中心, 且无接触地从该音 的依靠压电效应测量信号的装置下, 当压电信号传 叉振臂间通过, 被测气体分子会吸收激光的部分能 输距离较长时, 或者当测量处电磁场干扰较大时, 量发生能级跃迁, 而后由于振动- 平动弛豫效应, 被 这时的信噪比会很差, 从而使传统的QEPAS 技术 激发的分子在退激发时将该部分能量以声波的形 无法完成测量. 式释放出来. 由于该激光使用的调制频率为音叉固 本文提供了一种基于QEPAS 技术的全光探测 有频率f 0 的一半, 因此产生的声波二次频恰好为 方法. 不同于传统QEPAS 技术, 这里使用了额外的 QTF 的固有频率, 所以该调制激光与被测气体作用 一束光作为探测光, 照射在QTF 的振臂上, 把与被 产生的声波会与石英晶振产生共振, 引起音叉两振 测气体浓度成正比的振臂振动信号转化为第二束 臂的对称性振动. QTF 通过压电效应将该机械振动 光的强度变化信号, 然后由传统的光电探测器检测 转化为微弱的电流信号, 由跨阻抗前置放大电路进 出振动幅值, 从而获得被测气体的成分、浓度等信 行放大后传输至锁相放大器进行解调, 最终获得与 息. 由于在气体探测处没有任何电子元件以及电信 被测气体浓度相关的数据. 号产生或处理