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化工仪器网 项目成果】近日，中科院合肥研究院安光所研究团队在痕量气体光声检测研究方面取得新进展，研制出一种基于多重反射的高灵敏度差分亥姆霍兹光声电池，在体积更小、耗气量少的情况下，实现了甲烷的高灵敏度检测。相关研究成果发表在国际知名光学期刊Optics Express上。
痕量气体是大气中浓度低于10E-6的粒种，大气中除氮、氧、氩、二氧化碳之外的气体大多属于痕量气体。痕量气体检测在许多领域都有着重要作用，如工业过程检测、人体呼吸气体检测等，尤其是大气环境监测。大气中的痕量粒种，如氮氧化合物、碳氢化合物、硫化物和氯化物等与温室效应、酸雨、光化学烟雾等密切相关，对全球生态环境有着重大影响。
目前已有多种痕量气体检测技术，包括中红外激光
光谱、光腔衰荡光谱(CRDS)、噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)等。光声光谱具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、模块紧凑等优点，同样可以用于痕量气体浓度检测。然而光声光谱容易受到环境噪声、气流噪声和光学系统引入的相干噪声的影响，在同时抑制相干与非相干噪声、增强光声信号方面鲜有报道。
研究团队研发了一种基于多重反射的差分亥姆霍兹光声电池(DHPAC)，并通过有限元仿真对其各项性能参数进行了改进。不同于传统的差分亥姆霍兹光声电池和差分H型光声电池，激发光可以在光声电池的镀金壁上多次反射，增加被测气体的吸收路径。同时多次反射还可以有效提高光声信号的强度。此外，研究团队采用波长调制与二次谐波技术抑制相干噪声，并且由于该光声池的差分特性，使非相干噪声得到极大抑制。
在甲烷气体检测实验中，该光声传感器表现出了良好的线性度和灵敏度。当激发光源为较低功率(6mW)的近红外(1653nm)分布式反馈激光器时，在1s的检测时间内实现了甲烷气体177ppb的最低检测限。
研究人员表示，理论上，如果采用更高光功率的中红外激光器，可以实现亚ppb级检测。同时，由于准直后的激发光仍有一定的发散角，光能经过多次反射后会消散。因此，可以将吸收腔内壁加工成具有一定弧度的椭圆面，这将重新会聚反射光束并进一步增加反射次数。该工作为高灵敏度光声电池的设计和优化提供了参考。
作者：宋池
