基于石英增強光聲光譜技術的開放光路氣體傳感系統研究*

張 潔，朱 永，韋 瑋，林 成，田 莉，許祖穩

(重慶大學光電工程學院，重慶400044)

隨著科學技術與市場經濟的快速發展，環境污染對人類身心健康的影響越來越嚴重。采用先進的痕量氣體檢測技術對環境中的各種有毒有害痕量氣體進行實時在線監測受到了我國政府的高度重視。激光光聲光譜技術[1－5]具有探測靈敏度高、動態范圍大、無波長選擇性，可靠性好等優點，一直以來都是痕量氣體檢測技術中最重要的發展方向之一;然而，傳統激光光聲光譜技術存在體積較大，探測靈敏度低，不便在狹小空間中進行探測等缺點。美國奈斯大學 A．A．Kosterev等[6]在2002年首次提出了基于石英增強的光聲光譜檢測系統，該系統以品質因數高(8 000～20 000)、體積小(約2 mm3)的石英音叉QTF(Quartz Tuning Fork)作光聲信號增強器件，使系統具有抗干擾能力強、易于微型化等優點，是對傳統激光光聲光譜技術的突破。QEPAS系統中光聲信號關系式為:

式中C是被測氣體的濃度，α是被測氣體的吸收譜線，P是激勵激光的功率，Q是石英音叉的品質因數，fc是石英音叉的共振頻率。

傳統的 QEPAS 系統[7－11]由聚焦透鏡和密閉氣室等組成，如圖1(a)所示，激光束通過氣室的光窗聚焦到石英音叉兩叉指中央以檢測密閉氣室中的被測氣體，密閉氣室能夠增強系統的探測靈敏度;但系統工作時，需經過取樣、密封等步驟，人工將被測氣體輸入到密閉氣室中進行探測。因此，該系統具有實時性差，較難實現在狹小空間中探測等缺點。

圖1 光聲信號激勵示意圖

為了優化系統的實時性，實現對狹小空間中痕量氣體的探測，文中提出基于石英增強光聲光譜技術的開放光路痕量氣體探測系統，如圖1(b)所示。該系統由透鏡將激光束聚焦到石英音叉兩叉指中央進行探測。系統工作時，一小部分激光被光路中的被測氣體吸收并產生光聲信號，但只有石英音叉附近的光聲信號才能使音叉產生振動，其余的光聲信號不能被音叉探測到，導致激光能量的損失，即吸收損耗。

聚焦方式(a)和(b)中的激光在空氣中傳輸時存在激光能量[12]的吸收損耗與擴散損耗，而由式(1)可知，光聲信號強度S與激光功率P成正比，激光功率的降低，導致光聲信號強度的降低。為了避免上述激光能量損失與光聲信號強度降低的缺點，文中采取光纖引導的方式激勵被測氣體產生光聲信號。此種方式避免了激光功率的吸收損耗，引入了激光功率耦合損耗，但與吸收損耗相比，耦合損耗不會引起系統中光聲信號強度的明顯降低。開放光路光纖引導方式的原理如圖1(c)所示，由光纖將激光引導至石英音叉兩叉指中央。引導過程中，光纖內的激光不會與空氣中的痕量氣體接觸。射出光纖端面的激光在石英音叉探測區域與痕量氣體相互作用產生光聲信號。此種方式不僅增強了系統的探測靈敏度，而且能夠有效減小系統體積，從而實現了在狹小空間中進行探測的目的。

1 基本原理

常溫常壓下水蒸氣的吸收譜線一般可用洛倫茲線型函數來描述[13]:

式中ω0表示水蒸氣吸收譜線的中心波長，Δω表示水蒸氣吸收譜線的半高全寬，根據HITRAN04數據庫，吸收譜線對應波長為1 391．672 8 nm時，水蒸氣的碰撞加寬系數見表1。

表1 HITRAN04數據庫中的水蒸氣加寬系數和線強

氣體吸收系數與氣體吸收譜線線強之間的關系可用下式表示:

式中，S(T)為氣體吸收譜線的線強度，單位為cm－2·atm－1;p為氣體介質的壓強，單位為 atm;L 為激光在氣體中傳播的距離，單位為cm;X為氣體的體積濃度;φ(ν)為線型函數，它表示被測氣體吸收譜線的形狀，與溫度、總壓力和氣體中的各成分含量有關;α(ν)為吸收系數。

將式(2)及表1中的數據代入式(3)得水蒸氣的吸收系數:

式中:ν0表示中心波長對應的波數，Δν為加寬系數，單位為 cm－1。ν0=7 185．597 31 cm－1，Δν=0．236 3 cm－1時，由式(4)仿真得水蒸氣的吸收譜線如圖2所示。圖2中，橫坐標表示一個周期內2 500個采樣點數;縱坐標表示水蒸氣的吸收系數，單位為cm－1。由仿真曲線可看出水的吸收譜線的峰值對應于一個掃描周期的中間位置。

由實驗測得的光聲信號強度S與式(4)的α(v)的表達式代入式(1)即可得出被測氣體濃度。

圖2 水蒸氣的吸收系數仿真

2 實驗

2．1 水蒸氣譜線的選擇

圖3是由HITRAN04數據庫獲得的H2O在0．7 μm ～2．5 μm 波長范圍內的吸收譜線，圖3 中橫坐標表示波數κ，縱坐標表示線強I。為了避免與空氣中常見氣體(如N2，CO2，O2等)的吸收譜線相重合，對照HITRAN04數據庫中N2，CO2，O2等氣體的吸收譜線分布，選擇波長為 1 391．672 8 nm，對應線強為 7．947×10－22cm－1/(mol·cm－2)的吸收譜線進行實驗。

圖3 水蒸氣在0．7 μm～2．5 μm范圍內的吸收譜線

2．2 開放光路下的實驗系統

開放光路下的實驗系統原理圖如圖4所示，連續可調諧DFB激光器作為激勵光源，激光束由單模光纖引導至石英音叉兩叉指中央，與被測氣體相互作用產生光聲信號，光聲壓使石英音叉兩叉指發生對稱振動，由于石英音叉的壓電效應，將振動信號轉換為電壓信號輸出，電壓信號由互阻抗放大器預放大后進入數字鎖相放大器進行二次諧波解調，最后送入計算機進行進一步的數據分析與處理。

圖4 光纖引導開放光路實驗系統原理圖

以下是對實驗系統的簡要說明:

(1)首先通過改變激光控制器(THORLabs，ITC502)的溫度來實現對激光器輸出波長的粗調，然后通過注入直流電流來實現對輸出波長的細調。激光控制器的溫度確定后，由PXI6115數據采集卡輸出頻率為fL的鋸齒波電流進入激光控制器，使激光波長以fL的頻率掃描水蒸氣的整個吸收譜線;同時由數據采集卡輸出一個正弦信號，其頻率為fs=f0/2，輸入激光控制器，控制激光波長以頻率fs快速變化，激光器輸出的調制激光由光纖引導，如圖4右上部虛線框中所示。通過六維微動平臺調節光纖的位置，使激光準直在石英音叉兩叉指中央。探測區域的被測氣體吸收光能，產生光聲信號，使石英音叉發生振動。

(2)探測電路模塊位于圖4中部的虛線框內，該電路實現兩個功能:一是將開關撥到2腳上，實現對石英音叉共振頻率的測量。實驗測得常溫常壓下石英音叉的共振頻率為32 761．49 Hz，響應帶寬約為4．13 Hz，進而得到其品質因數

Q=f0/Δf=32 761．49 Hz/4．13 Hz=7 932．56由此可知，石英音叉的品質因數很高，具有對外界噪聲免疫的特點;二是將開關撥到1腳，使音叉接入電路的互阻抗放大器實現對石英音叉輸出的電壓信號的放大，完成由QTF振動信號到電壓信號的轉換。

(3)將電路控制模塊輸出的電壓信號輸入數字鎖相放大器(SR830)進行二次諧波解調，解調后的信號由PXI6115數據采集卡送入計算機進行進一步的數據分析和處理，從而得到被測氣體的光聲光譜信號。根據實驗原理搭建如圖5所示的實驗裝置。

圖5 開放光路下的實驗系統實物圖

2．3 實驗結果與分析

由該實驗裝置得到的光聲光譜信號波形如圖6所示，圖6中灰色波形為采集卡采集到的原始信號，黑色波形顯示的是頻率為fL的鋸齒波參考信號，這里需要說明的是圖6中的原始信號上下波動是因為激光光源的波長以頻率fs作快速周期性變化引起的，而非系統噪聲。從圖6可以明顯的看出實驗所得光聲光譜信號的最高峰均對應于參考信號鋸齒波的中心位置，對比圖2可知，參考信號鋸齒波的中心位置所對應的激光波長正好為H2O的吸收譜線的中心位置，實驗與理論相吻合。由此可知，該信號為空氣中H2O的光聲光譜信號，而非空氣中其他物質的光聲光譜信號。

圖6 光纖引導開放光路實驗系統光聲光譜原始信號

由采集卡采集到的原始信號幅度波動很大，采用累加平均的方法對原始信號進行處理得到如圖7所示的光聲光譜信號，根據圖7可得H2O的光聲光譜信號幅值為69．53 μV。該系統的探測靈敏度可由歸一化噪聲等效吸收系數來評價(NNEA)，NNEA值越小，系統探測靈敏度越高，性能越好。其定義如下:

式中，α表示吸收系數，單位為cm－1，D*表示探測器在一定輻射功率下輸出信號的信噪比。系統的噪聲水平定義為由空氣中水蒸氣非吸收部分的本底基線測得的電壓值[12]，其值約為2．15 μV，由此可得電壓信噪比為32．3，實驗測試時的環境溫度為24℃，相對濕度為42%，可得空氣中水蒸氣含量為1．33%，由此得出其歸一化噪聲等效吸收系數是7．15×10－7cm－1·W/Hz1/2。

圖7 光纖引導方式開放光路實驗系統光聲光譜信號

傳統的QEPAS系統采用準直聚焦光路并配合使用微共振管的方式搭建[14]，為了與傳統的準直聚焦光路系統作對比，本文搭建了一套準直聚焦光路QEPAS實驗系統并配以內徑為0．9 mm的共振管進行實驗，兩段相同的微共振管分別置于石英音叉的叉指縫的前后兩端。手動準直系統光路使激光依次穿過共振管－音叉－共振管，兩段共振管使光聲信號在共振管內產生駐波并在音叉叉指縫的位置形成波腹，達到增強信號的目的。實驗時環境溫度為22．5℃，相對濕度為53%，可得空氣中水蒸氣含量為1．54%，由鎖相放大器對壓電信號進行實時處理并經過PXI6115進行數據采集與處理后得到的光聲光譜信號如圖8所示。

圖8 聚焦方式開放光路實驗系統光聲光譜信號

由此可得電壓信噪比為10，其歸一化噪聲等效吸收系數為3．83×10－6cm－1·W/Hz1/2。但是由于微共振管使系統調節相當復雜，激光射到微共振管壁時容易引起噪聲，減弱光聲信號，降低系統的信噪比，而光纖引導方式不存在這樣的缺點[15]。對比實驗結果可知，光纖引導開放光路QEPAS系統性能要優于準直聚焦光路QEPAS實驗系統，其探測靈敏度與準直聚焦光路QEPAS實驗系統相比提高了約5倍。

3 結論

本文提出了一種新型的光纖引導方式開放光路QEPAS痕量氣體傳感系統，光纖引導方式的引入能夠有效減小系統體積，減小光路中光能的損失。通過檢測空氣中水蒸氣含量的實驗來驗證系統的可靠性與探測靈敏度，得到其歸一化噪聲等效吸收系數為 7．15×10－7cm－1·W/Hz1/2;作為對比，另外搭建了一套聚焦方式開放光路QEPAS實驗系統。實驗結果表明，相比于傳統聚焦方式的開放光路實驗系統，光纖引導方式開放光路QEPAS系統的探測靈敏度提高了約5倍。該系統具有體積小、實時性好，探測靈敏度高等優點，適用于對空氣中大多數痕量氣體的探測，尤其適用于對狹小空間中痕量氣體的探測。

[1]Fink T，Buscher S，Gabler R，et al．An Improved CO2Laser Intracavity Photoacoustic Spectrometer for Trace Gas Analysis[J]．Review of Scientific Instruments，1996，67(11):4000－4004．

[2]Song K，Cha H K，Kapitanov V A，et al．Differential Helmholtz Resonant Photoacoustic Cell for Spectroscopy and Gas Analysis with Room-Temperature Diode Lasers[J]．Applied Physics B:Lasers and Optics，2002，75:215－227．

[3]Van Neste C W，Senesac L R，Thundat T．Standoff Photoacoustic Spectroscopy[J]．Applied Physics Letters，2008，92(23):234102－1－3．

[4]王建業，紀新明，吳飛蝶，等．光聲光譜法探測微量氣體[J]．傳感技術學報，2006，19(4):1206－1211．

[5]趙俊娟，趙湛，杜利東，等．球形光聲腔中二氧化碳的檢測[J]．傳感技術學報，2012，25(3):289－292．

[6]Kosterev A A，Bakhirkin Y A，Curl R F，et al．Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy[J]．Optics Letters，2002，27(21):1902－1904．

[7]Schilt S，Kosterev A A，Tittel F K．Performance Evaluation of a Near Infrared QEPAS Based Ethylene Sensor[J]．Applied Physics B:Lasers and Optics，2009，95(4):813－824．

[8]Kosterev A A，Dong L，Thomazy D，et al．QEPAS for Chemical Analysis of Multi-Component Gas Mixtures[J]．Applied Physics B:Lasers and Optics，2010，101(3):649－659．

[9]Lewicki R，Wysocki G，Kosterev A A，et al．Carbon Dioxide and Ammonia Detection Using 2 μm Diode Laser Based Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy[J]．Applied Physics B:Lasers and Optics，2007，87(1):157－162．

[10]Lei D，Vincenzo S，Rafal L，et al．Ppb-Level Detection of Nitric Oxide Using an External Cavity Quantum Cascade Laser Based QEPAS Sensor[J]．Optics Express，2011，19(24):24037－24045．

[11]Jahjah M，Vicet A，Rouillard Y．A QEPAS Based Methane Sensor with a 2．35 μm Antimonide Laser[J]．Applied Physics B:Lasers and Optics，2012，106(2):483－489．

[12]Liu K，Li J，Wang L，et al．Trace Gas Sensor Based on Quartz Tuning Fork Enhanced Laser Photoacoustic Spectroscopy[J]．Applied Physics B:Lasers and Optics，2009，94(3):527－533．

[13]Reid J，Labrie D．Second-Harmonic Detection with Tunable Diode Lasers—Comparison of Experiment and Theory[J]．Applied Physics B:Photophysics and Laser Chemistry，1981，26(3):203－210．

[14]Lei D，Kosterev A A，Thomazy D，et al．QEPAS Spectrophones:Design，Optimization，and Performance[J]．Applied Physics B:Lasers and Optics，2010，100(3):627－635．

[15]Liu K，Guo X，Hong M Y，et al．Off-Beam Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy[J]．Optics Letters，2009，34(10):1594－1596．