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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感測

發表時間↟✘:2022-10-24      點選次數↟✘:217

石英音叉(quartz tuning fork, QTF)作為一種基於壓電特性的諧振聲電換能器╃◕·▩╃,自2002年以來已成功應用於痕量氣體光聲感測中╃◕·▩╃,稱為石英增強光聲光譜(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)╃│₪│。QTF具有高共振頻率│··✘•、高質量係數│··✘•、小尺寸和成本低的優點╃◕·▩╃,這使 QEPAS感測器具有對環境聲噪聲的免疫力╃│₪│。相較於傳統光聲光譜感測器感測器╃◕·▩╃,QEPAS技術具有分析超小體積氣體樣本的能力╃│₪│。但是╃◕·▩╃,QEPAS感測器的執行需要QTF與待測氣體接觸╃◕·▩╃,這使得QTF易被腐蝕且效能可能會惡化╃◕·▩╃,從而限制了QEPAS感測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作為一種基於鐳射吸收光譜的氣體感測方法╃◕·▩╃,於2018年報道╃│₪│。該方法使用QTF作為光熱探測器╃◕·▩╃,與在 QEPAS 感測器中測量氣體吸收光能產生的聲訊號不同╃◕·▩╃,QTF被用來測量 LITS感測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透過光-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)╃◕·▩╃,並因其共振特性而增強了振動╃│₪│。


LITS 感測器系統與可調諧二極體鐳射吸收光譜(TDLAS)的感測器系統相似╃◕·▩╃,只是商用光電探測器被QTF取代╃│₪│。因此╃◕·▩╃,與傳統的PAS/QEPAS感測器相比╃◕·▩╃,LITS感測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│··✘•、大功率動態範圍和能透過增加激發鐳射功率來增強訊號的優╃◕·▩╃,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於全光學光致熱聲光譜(All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy, AO-LITS)的氣體感測技術╃◕·▩╃,採用了商用標準QTF作為光熱探測器╃◕·▩╃,QTF的振動透過高靈敏度光纖法(Fabry-Pérot FP interferometry, FPI技術測量╃◕·▩╃,而不是傳統 LITS 中的壓電檢測╃│₪│。為了提高感測器系統的穩定性和實用性╃◕·▩╃,研究組採用3D列印技術設計並製作了一個基於QTF 的整合光纖FPI模組╃│₪│。將雙波長解調系統與橢圓擬合差分交叉乘法演算法應用於所開發的AO-LITS感測器系統中╃│₪│。該全光檢測方案具有靈敏度高│··✘•、可遠端檢測和抗電磁干擾的優點╃│₪│。專案成果《All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing》在2022年九月發表於《Photoacoustics》╃│₪│。


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圖1 基於QTF的整合光纖FPI模組(a)三維原理圖(b)照片╃│₪│。


基於AO-LITS技術╃◕·▩╃,研究組開發了一個硫化氫感測器系統╃◕·▩╃,實現了非接觸式測量╃│₪│。感測器採用一個1576.29 nm的分散式反饋(distributed feedback, DFB)鐳射器作為硫化氫檢測的激發光源╃│₪│。昕虹光電為該專案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╃│₪│。相比於傳統基於壓電探測的LITS感測系統╃◕·▩╃,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╃│₪│。由於QTF不需要與目標氣體接觸╃◕·▩╃,AO-LITS可以實現非接觸測量╃◕·▩╃,並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╃◕·▩╃,基於AO-LITS的硫化氫氣體感測器對長期檢測具有良好的穩定性╃│₪│。


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圖2  AO-LITS感測器系統的實驗裝置


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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寧波海爾欣光電科技有限公司長期專注於鐳射光譜檢測技術(QCL/ICL+TDLAS)╃◕·▩╃,在高靈敏度痕量氣體分子光電分析領域擁有核心智慧財產權╃│₪│。旗下品牌昕虹光電提供圍繞高靈敏度痕量氣體分析的光電器件│··✘•、模組及解決方案;昕甬智測專業開發面對汙染氣體和溫室氣體的分析儀器╃◕·▩╃,適應各類場景的氣體濃度/通量監測╃│₪│。公司立足於國內╃◕·▩╃,以技術創新為動力╃◕·▩╃,致力於成為先進的機關檢測技術企業╃◕·▩╃,持續不斷的推動鐳射光譜技術的產業化應用╃│₪│。



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