石英音叉（quartz tuning fork, QTF）作为一种基于压电特性的谐振声电换能器，自2002年以来已成功应用于痕量气体光声传感中，称为石英增强光声光谱（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS）。QTF具有高共振频率、高质量系数、小尺寸和成本低的优点，这使 QEPAS传感器具有对环境声噪声的免疫力。相较于传统光声光谱传感器传感器，QEPAS技术具有分析超小体积气体样本的能力。但是，QEPAS传感器的运行需要QTF与待测气体接触，这使得QTF易被腐蚀且性能可能会恶化，从而限制了QEPAS传感器在一些恶劣环境中的应用，如燃烧场诊断、腐蚀性气体测量。
光致热声光谱（light-induced thermoacoustic spectroscopy, LITS作为一种基于激光吸收光谱的气体传感方法，于2018年报道。该方法使用QTF作为光热探测器，与在 QEPAS 传感器中测量气体吸收光能产生的声信号不同，QTF被用来测量 LITS传感器中光强度的吸收变化。光束被引导到QTF的表面上，而不是在其间隙之间。QTF对光吸收产生的热能通过光-热弹性转换转化为QTF的机械振动（此振动也会进一步产生声波），并因其共振特性而增强了振动。
LITS 传感器系统与可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）的传感器系统相似，只是商用光电探测器被QTF取代。因此，与传统的PAS/QEPAS传感器相比，LITS传感器可以实现非接触式测量，很好地避免了元器件腐蚀老化的问题。与传统的商业光电探测器TDLAS技术相比，LITS技术具有成本低、体积小、灵敏度高、大功率动态范围和能通过增加激发激光功率来增强信号的优点，特别是它可以实现整个红外光谱区域痕量气体检测，甚至太赫兹光谱区域，不需要任何冷却系统。
近日，来自华中科技大学和山西大学的联合研究团队发表了一种基于全光学光致热声光谱（All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy, AO-LITS）的气体传感技术，采用了商用标准QTF作为光热探测器，QTF的振动通过高灵敏度光纤法（Fabry-Pérot FP interferometry, FPI）技术测量，而不是传统 LITS 中的压电检测。为了提高传感器系统的稳定性和实用性，研究组采用3D打印技术设计并制作了一个基于QTF 的集成光纤FPI模块。将双波长解调系统与椭圆拟合差分交叉乘法算法应用于所开发的AO-LITS传感器系统中。该全光检测方案具有灵敏度高、可远程检测和抗电磁干扰的优点。项目成果《All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing》在2022年九月发表于《Photoacoustics》。
图1 基于QTF的集成光纤FPI模块(a)三维原理图(b)照片。
基于AO-LITS技术，研究组开发了一个硫化氢传感器系统，实现了非接触式测量。传感器采用一个1576.29 nm的分布式反馈（distributed feedback, DFB）激光器作为硫化氢检测的激发光源。昕虹光电为该项目提供了一个有效光路长度为3.3 m的赫里奥特多通气体池以增强对硫化氢气体的光吸收。相比于传统基于压电探测的LITS传感器系统，该系统将探测灵敏度提高了3倍,在大气压下对硫化氢的检测限达到了422 ppb。由于QTF不需要与目标气体接触，AO-LITS可以实现非接触测量，并避免气体气流噪声对高灵敏度光学检测的干扰。实验结果也表明，基于AO-LITS的硫化氢气体传感器对长期检测具有良好的稳定性。
图2 AO-LITS传感器系统的实验装置
参考文献：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,
关于我们
宁波海尔欣光电科技有限公司长期专注于激光光谱检测技术（QCL/ICL+TDLAS），在高灵敏度痕量气体分子光电分析领域拥有核心知识产权。旗下品牌昕虹光电提供围绕高灵敏度痕量气体分析的光电器件、模块及解决方案；昕甬智测专业开发面对污染气体和温室气体的分析仪器，适应各类场景的气体浓度/通量监测。公司立足于国内，以技术创新为动力，致力于成为先进的机关检测技术企业，持续不断的推动激光光谱技术的产业化应用。
