光纖倏逝波型石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)?

何應(yīng) 馬欲飛 佟瑤 彭振芳 于欣

(哈爾濱工業(yè)大學(xué),可調(diào)諧激光技術(shù)國家級重點實驗室,哈爾濱 150001)

1 引 言

近年來,人類的活動對環(huán)境中各種痕量氣體種類以及濃度的影響在持續(xù)增加,如大氣中的溫室氣體臭氧(O3)、酸雨催生氣體氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2),體積分?jǐn)?shù)為10?12—10?6量級,這些氣體的濃度上升直接使環(huán)境發(fā)生改變[1,2].同時,隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速,工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種痕量氣體,如一氧化碳(CO)、甲烷(CH4),會對人類自身的安全造成影響.因此,對痕量氣體進(jìn)行精確的測量變得十分緊迫.

隨著激光技術(shù)以及光譜技術(shù)的不斷發(fā)展,采用光譜學(xué)方法對痕量氣體進(jìn)行測量成為了熱點.其中,激光吸收光譜法氣體檢測技術(shù)具有種類鑒別性好、探測靈敏度高、能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量等優(yōu)點,近年來發(fā)展迅速.在眾多光譜測量技術(shù)中,石英增強(qiáng)光聲光譜(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS)作為一種新型光聲光譜探測技術(shù)[3],具有更加鮮明的優(yōu)勢.QEPAS技術(shù)采用石英音叉(quartz tuning fork,QTF)作為聲波探測元件,石英音叉具有體積小、品質(zhì)因數(shù)高、價格低廉等諸多優(yōu)點[4,5].目前,QEPAS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多種痕量氣體的檢測研究中[6?11].

在傳統(tǒng)QEPAS技術(shù)中,常采用一組塊狀光學(xué)透鏡將激光束聚焦穿過石英音叉叉股間隙,因此,這部分光路存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性欠佳、探測單元的尺寸難以縮小等缺點,這些因素在一定程度上限制了該技術(shù)的實際應(yīng)用.光纖具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、體積小、傳輸損耗低等一系列優(yōu)點,在QEPAS技術(shù)中有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢[12].本文采用全光纖傳輸結(jié)構(gòu),利用光纖倏逝波技術(shù),開展光纖倏逝波型石英增強(qiáng)光聲光譜痕量氣體檢測技術(shù)研究.乙炔(C2H2)氣體是變壓器絕緣油中的溶解氣體之一,是表征電力變壓器早期潛伏性故障的重要特征量[13],同時也是聚乙烯生產(chǎn)線上乙烯氣流中的污染物之一[14],因此,選擇C2H2氣體作為測量對象.該研究對C2H2氣體濃度的高靈敏度、快速測量在變壓器故障診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要意義.

2 光纖倏逝場計算

倏逝場是指當(dāng)光以全反射的方式在不同折射率的界面?zhèn)鬏敃r,會有微量的光波滲透到另一折射率介質(zhì)中,形成一種趨于指數(shù)衰減的電磁場,其滲透深度與光波長相當(dāng).而在光纖中,光波于纖芯中傳輸,在纖芯與包層界面發(fā)生全反射,因此在光纖包層靠近界面處也會有一部分呈指數(shù)衰減的電磁場.光纖倏逝場基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,將光纖進(jìn)行相應(yīng)的處理,可將其直徑縮小至與光波長相當(dāng),即所謂的微納結(jié)構(gòu)光纖,于是在光纖與空氣的界面處會有一部分光滲透到空氣中,這便是光纖倏逝波.若將微結(jié)構(gòu)光纖置于目標(biāo)探測氣體環(huán)境中,滲透到空氣中的倏逝場就會與周圍的介質(zhì)發(fā)生相互作用,本研究正是要利用這種倏逝波作為QEPAS系統(tǒng)中氣體吸收的激勵源.

圖1 光纖倏逝場示意圖Fig.1.Schematic of fi ber evanescent wave.

圖2 光纖截面的求解模型Fig.2.Solving model of fi ber interface.

圖3 不同光纖直徑下的截面光場分布(a)D=1.2μm,m=0,neff=1.265727;(b)D=1.0μm,m=0,neff=1.218575;(c)D=0.8μm,m=0,neff=1.152950;(d)D=0.6μm,m=0,neff=1.070514Fig.3.The optical fi eld distribution for different fi ber diameters:(a)D=1.2 μm,m=0,neff=1.265727;(b)D=1.0μm,m=0,neff=1.218575;(c)D=0.8μm,m=0,neff=1.152950;(d)D=0.6μm,m=0,neff=1.070514.

為掌握微結(jié)構(gòu)光纖中的光場分布以及光纖界面外空間中的光功率分布與大小比例,利用基于有限元分析法的COMSOL Multiphysics軟件對光纖的光場分布進(jìn)行模擬分析以及光功率的理論計算.理論模擬過程中利用COMSOL Multiphysics軟件的頻域分析功能,首先對光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,該求解模型為圖2所示的兩個同心圓,其中,小圓表示光纖截面,外圓表示空氣層,模擬的光纖直徑為0—3μm,空氣層直徑為10μm(因為倏逝場滲透深度為光波長量級),折射率分別為1.4378和1.建模完成后,對模型進(jìn)行精細(xì)的網(wǎng)格劃分,選擇求解模式,由傳輸激光波長(1.53μm)設(shè)置模式分析頻率,并以光纖折射率(n=1.4378)為模式的基準(zhǔn)點,隨后選擇物理場與變量,進(jìn)行計算求解.最終計算直徑D=0—3μm范圍內(nèi)的光場分布,部分結(jié)果如圖3所示.

圖3中,黑色線圈表示包層與空氣層的界面,m表示光的傳輸模式,neff表示有效折射率,圖中光纖直徑依次為1.2,1.0,0.8,0.6μm.從計算得到的光纖橫截面光場分布可以看出,隨著光纖包層直徑的減小,溢出光纖包層的光場在空氣中的深度增大,同時空氣中的光場逐漸變強(qiáng),即包層直徑越小,溢出到空氣中的倏逝場越強(qiáng).根據(jù)模擬計算得到的光場結(jié)果,利用COMSOL Multiphysics軟件的數(shù)據(jù)后處理,計算不同包層直徑下倏逝場的功率與激光總功率之比,最終得到的結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同光纖直徑下的倏逝場功率比例Fig.4.Power fraction of the evanescent wave as a function of fi ber diameter.

從圖4可以看出,當(dāng)光纖包層直徑大于2μm后,空氣中倏逝場的功率大小變化緩慢,在總的光場中所占比例小于10%.而QEPAS技術(shù)中,由于信號強(qiáng)度與光場功率成正比,因此,為了增大信號強(qiáng)度,得到更優(yōu)異的探測極限,拉錐后的光纖直徑不宜大于2μm.

3 實驗裝置

3.1 激光波長調(diào)制深度分析

為了便于后續(xù)信號處理及增大信噪比,擬采取波長調(diào)制及諧波探測的方案[15],這就意味著用低頻鋸齒波電流使激光器掃描經(jīng)過整個吸收線,同時用高頻正弦波信號對激光器波長進(jìn)行調(diào)制.調(diào)制深度是指激光波長調(diào)制系數(shù)χ與待測目標(biāo)氣體吸收譜線線寬Δγ的乘積.氣體吸收系數(shù)表達(dá)式為

式中C為氣體濃度,N0為總粒子數(shù)密度,S為氣體吸收譜線強(qiáng)度,g(v)為標(biāo)準(zhǔn)化線性函數(shù),α0=CN0S/(πγline)為譜線中心吸收系數(shù),x=(v?v0)/γline為無量綱激光波數(shù).當(dāng)采用頻率為ωχ的正弦波進(jìn)行調(diào)制時,x還可以表示為

式中?表示采用正弦波調(diào)制頻率為ωχ時的相位差,改寫吸收系數(shù)公式,對其進(jìn)行傅里葉分解,則

其中各項傅里葉系數(shù)的表達(dá)式為

在光聲光譜技術(shù)中,常以二次諧波信號作為被探測的值,其表達(dá)式為

式中fχ=ωχ/(2π)為調(diào)制頻率,k為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換常數(shù),Ccell為探測器轉(zhuǎn)換系數(shù).由于SPA,2fχ表達(dá)式中隱含了χ參量(即隱含了調(diào)制深度參量),因此通過優(yōu)化調(diào)制深度便可對QEPAS系統(tǒng)二次諧波信號值進(jìn)行優(yōu)化.

3.2 實驗裝置

在光纖倏逝波型QEPAS技術(shù)實驗研究中,設(shè)計的實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示,系統(tǒng)的控制電路部分主要由波長調(diào)制和信號放大解調(diào)模塊組成,并由電腦通過LabVIEW上位機(jī)軟件進(jìn)行操控.由于QEPAS系統(tǒng)信號強(qiáng)度與石英音叉共振頻率f0成反比[16],因此,與常見QEPAS技術(shù)中共振頻率f0為32.768 kHz的石英音叉不同,實驗選用共振頻率f0為30.720 kHz的石英音叉.在波長調(diào)制技術(shù)中,一個正弦波調(diào)制周期內(nèi)激光波長兩次經(jīng)過吸收譜線,因此產(chǎn)生的信號頻率是正弦波調(diào)制頻率的2倍,所以當(dāng)調(diào)制頻率f為石英音叉共振頻率f0的1/2時,石英音叉能夠形成共振,進(jìn)而產(chǎn)生最大的二次諧波信號,實驗中石英音叉參數(shù)測定的共振頻率f0為30716 Hz,因此正弦波頻率f設(shè)定為f=f0/2=15358 Hz.鋸齒波驅(qū)動電流作用是使激光器輸出激光掃描經(jīng)過一段特定的波長,覆蓋氣體吸收峰,實驗中設(shè)定的鋸齒波頻率為1/60 Hz.激光激勵源選擇1.53μm的連續(xù)波分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器.該半導(dǎo)體激光器通過光纖輸出并連接拉錐后的單模光纖(康寧標(biāo)準(zhǔn)SMF-28e+).將光纖錐區(qū)放置于石英音叉叉股之間.整個探測單元(包括石英音叉(QTF)和光纖錐區(qū))放置于氣室中.光纖錐區(qū)與石英音叉相對位置的局部放大如圖5右上側(cè)所示.激光經(jīng)光纖錐區(qū)輸出后由功率計接收并檢測,該功率計用以實時監(jiān)測光纖的輸出功率,可以測量激光經(jīng)光纖錐區(qū)后的功率損耗情況.實驗中,10 M?的跨阻抗放大器(TA)將石英音叉探測到的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓值,鎖相放大器用此電壓信號解調(diào)出二次諧波分量(2f).實驗中所用的測量氣體為體積分?jǐn)?shù)為2%的C2H2(以N2為背景氣體).

圖5 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5.Schematic of QEPAS system.

4 實驗結(jié)果和分析

首先對光纖錐在石英音叉叉股間隙處豎直方向上的位置(Y)進(jìn)行了優(yōu)化研究,結(jié)果如圖6所示.從圖中可以看到,當(dāng)Y＜0.5 mm時,QEPAS系統(tǒng)2f信號強(qiáng)度隨著Y的增大而迅速增大.當(dāng)0.5 mm ≤Y≤0.9 mm時,2f信號強(qiáng)度處于最優(yōu)范圍內(nèi).當(dāng)Y＞0.9 mm時,QEPAS系統(tǒng)2f信號強(qiáng)度隨著Y的增大而逐漸變小.實驗結(jié)果表明,QEPAS系統(tǒng)2f信號強(qiáng)度隨著Y的變化而發(fā)生改變,這主要是因為Y值過小時,作用在石英音叉上的聲波能量會有損失(部分聲波從音叉叉股上部溢出),而當(dāng)Y值過大時,聲波作用在石英音叉上的等效力矩將會減小,致使石英音叉叉股擺動幅度變小.在后續(xù)的實驗中,為了獲得最強(qiáng)的2f信號幅值,Y值設(shè)定為0.7 mm.

圖6 QEPAS 2f信號幅值隨音叉豎直方向位置的變化Fig.6.Amplitude of QEPAS 2f signal as a function of Y.

優(yōu)化光纖錐與石英音叉的相對位置后,進(jìn)一步通過實驗對激光波長調(diào)制深度進(jìn)行優(yōu)化,實驗結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看出,系統(tǒng)存在最佳調(diào)制深度,根據(jù)結(jié)果選擇的激光波長最佳調(diào)制深度為0.24 cm?1.

作為對比,實驗還對相同條件下、共振頻率f0為32.768 kHz的石英音叉進(jìn)行了研究.最后,向QEPAS系統(tǒng)氣室中通入高純氣體N2,并將其測量值作為噪聲數(shù)據(jù).兩種音叉情況下的2f信號波形以及對應(yīng)的噪聲值如圖8(a)和圖8(b)所示.從圖中可以看出,共振頻率為30.720 kHz的石英音叉所對應(yīng)的系統(tǒng)具有更高的2f信號幅值.同時,從噪聲測試結(jié)果中能夠看出,兩系統(tǒng)的噪聲值基本相當(dāng).經(jīng)計算,f0為30.720和32.768 kHz的石英音叉對應(yīng)系統(tǒng)的QEPAS信號幅值分別為0.075和0.068 mV,系統(tǒng)探測極限(MDL,用體積分?jǐn)?shù)表示,下同)分別為6.25×10?4和6.90×10?4.由此可見,共振頻率較低的石英音叉對應(yīng)的QEPAS系統(tǒng)能夠獲得更高的2f信號幅值.根據(jù)實驗得到的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算,表1列出了該系統(tǒng)的各參數(shù)指標(biāo),從中可以看出,共振頻率為30.720 kHz的石英音叉更適合用于光纖倏逝波QEPAS技術(shù).

圖7 QEPAS 2f信號幅值隨調(diào)制深度的變化Fig.7.Amplitude of QEPAS 2f signal as a function of modulation depth.

在QEPAS系統(tǒng)中存在一個評價傳感器指標(biāo)的重要參數(shù),即系統(tǒng)的歸一化噪聲等效吸收系數(shù)(NNEA),這是表征傳感器檢測靈敏度的一個重要參數(shù).NNEA的計算公式為,其中α為氣體吸收系數(shù),由系統(tǒng)探測極限經(jīng)HITRAN數(shù)據(jù)庫計算得到,P為氣體吸收峰處的激光功率,Δf為鎖相放大器帶寬.在NNEA的計算過程中,需要確定激發(fā)探測氣體的激光功率,即光纖倏逝場的激光功率.根據(jù)第1節(jié)的理論模擬計算結(jié)果(圖4)可知,如果獲得光纖錐的直徑便可得到倏逝場功率比例,因此,利用掃描電子顯微鏡(SEM)測量光纖直徑,拍攝的光纖錐圖像如圖9所示.測量得到光纖錐直徑為1.77μm,根據(jù)理論模擬計算結(jié)果可知光纖錐對應(yīng)的倏逝場比例為9.7%.經(jīng)實驗測量,半導(dǎo)體激光器輸出功率為6 mW,通過光纖錐后的激光功率為4.7 mW,光纖錐傳輸損耗為1.06 dB,進(jìn)一步計算可得光纖錐的倏逝場功率為455.9μW.最終得到系統(tǒng)的歸一化噪聲等效吸收系數(shù)為4.18×10?7cm?1·W·Hz?1/2.

圖8 不同共振頻率f0下QEPAS系統(tǒng)的2f波形及噪聲值 (a)2f信號波形;(b)純N2條件下實驗的噪聲值Fig.8.2f signal amplitude and noise of QEPAS system with different resonant frequencies:(a)Amplitude of 2f signal;(b)determined noise in pure nitrogen environment.

圖9 掃描電子顯微鏡拍攝的光纖錐Fig.9.SEM image of fi ber taper.

表1 不同石英音叉共振頻率下系統(tǒng)的探測性能Table 1.Experimental results for QTFs with different resonant frequencies.

5 結(jié) 論

將光纖倏逝波技術(shù)應(yīng)用于QEPAS技術(shù)中,搭建了全光纖結(jié)構(gòu)的QEPAS測量系統(tǒng).理論模擬計算了光纖倏逝場的光場分布以及倏逝場功率之比,優(yōu)化了光束與石英音叉的空間位置、激光波長調(diào)制深度,對比了兩種不同共振頻率的石英音叉,最終在較低共振頻率30.720 kHz的石英音叉的實驗研究中獲得了6.25×10?4的探測極限,計算得到的系統(tǒng)歸一化噪聲等效吸收系數(shù)為4.18×10?7cm?1·W·Hz?1/2. 與傳統(tǒng)塊狀光學(xué)系統(tǒng)相比,該光纖倏逝波型光路結(jié)構(gòu)有效縮小了QEPAS系統(tǒng)探測單元的體積,提高了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性,有利于QEPAS痕量氣體檢測技術(shù)的實用化.

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