研究人员设计了新型双共振光声气体传感器

　　长三角G60  激光联盟导读
　　基于光声光谱（PAS）的气体传感器具有可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）的优点，如高灵敏度、高选择性和宽动态范围。实际应用中对传感器性能的要求越来越高。
　　腔增强直接频率梳状光谱仪示意图，以及用于呼吸分析的气体处理系统。
　　许多工作都集中在声学谐振腔增强声波或光学谐振腔增强光波。然而，灵敏度和动态范围不能同时提高。
　　在最近发表在《Photoacoustics》上的一项研究中，中国科学院（CAS）长春光学精细机械与物理研究所（CIOMP）的WANG Zhen博士和WANG Qiang教授开发了一种基于双谐振PAS的新型气体传感器，该传感器将光学谐振器和声学谐振器组合在一厘米长的配置中，并利用双驻波效应。声波和光波都显著增强了几个数量级。
　　双谐振PAS的工作原理。OSW的振幅在QTF的共振频率处调制。声学谐振器的几何形状是根据声学频率设计的。来源：Photoacoustics (2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100387
　　通过入射激光频率与光学谐振腔的纵向腔模之间的共振，一对谐振镜形成驻波。高精细度光学谐振器可直接放大光声信号，从而产生显著的累积激光功率。入射激光的强度调制与换能器具有相同的谐振频率。在专门设计的一维声谐振器中，产生的声波被增强两个数量级。
　　PAS-1f信号由三种不同配置测量。
　　在相同的实验条件下，测量了三种不同构型C2H2线1531.6 nm处的PAS-1f信号。组合光声放大提供了105的增强因子。用不同的C2H2/N2混合物测试了传感器的线性响应，传感器在1 ppb到50 ppm之间显示出非常好的线性响应。进行Allan–Werle偏差分析，以评估长期稳定性和最低检测限。平均时间为300秒时，噪声等效浓度（NEC）可提高至0.5 ppt，导致NEA系数为5.7×10-13 cm-1。因此，所提出的光声气体传感器的动态范围为1.0×108。
　　使用双共振PAS检测C2H2的结果。
　　与最先进的PAS气体传感器相比，所开发的传感器具有记录灵敏度和动态范围，为科学探索提供了强大的工具。
　　具有光声共振的光声传感器示意图。
　　来源：Doubly resonant sub-ppt photoacoustic gas detection with eight decades dynamic range, Photoacoustics (2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100387
　　长三角G60激光联盟陈长军转载