光聲池幾何形狀對光聲光譜檢測性能的影響

程 剛，曹亞南，田 興，曹 淵，劉 錕*

1. 安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001 2. 中國科學院安徽光學精密機械研究所，安徽 合肥 230031

引 言

1880年，物理學家Bell首次報道了固體光聲現(xiàn)象，1881年，Tynadall等學者觀測到了氣體光聲現(xiàn)象，1938年，Veingerov利用光聲效應測定了混和物中的氣體濃度，此后光聲理論及其應用成為了光學領域中一個熱點研究問題[1]。光聲光譜(photoacoustic spectroscopy，PAS)技術基于光聲效應原理可用于痕量氣體的測量，具有零背景檢測、 探測器不受波長限制、 光學元件簡單，系統(tǒng)調節(jié)及維護方便等優(yōu)點，目前已衍生出各類商業(yè)化儀器產(chǎn)品，現(xiàn)廣泛應用于環(huán)保、 化學工業(yè)、 生物生態(tài)以及醫(yī)學檢測等各個領域。迄今為止，為了進一步提高光聲光譜氣體檢測信號的強度與靈敏性，國內(nèi)外學者做出了諸多探索式研究，如Nodov報道了一種內(nèi)部小圓柱縱向振動與外部腔體徑向諧振耦合的“H”型光聲池，品質因素高達1800[2]；Heritier等提出了一種橢圓柱形光聲池，其中沿一個軸通過的激光產(chǎn)生的所有聲能被聚焦到沿著另一個軸定位的圓柱形聲學傳感器上，對液體介質進行了初步測量并顯示出該系統(tǒng)的高靈敏度的檢測性能[3]；Kapitano提出了一種亥姆霍茲共振型光聲池在減壓條件下的氣體檢測方式，利用該系統(tǒng)并結合差分式測量對水汽檢測可達1.0×10-9水平，其功率和帶寬歸一化最小等效吸收系數(shù)為(3～5)×10-7W·m-1·Hz-1/2[4]；Webber等利用光纖放大器來增強光聲光譜信號，研發(fā)了一種光聲光譜超靈敏痕量氣體檢測系統(tǒng)，并對氨氣進行了測量，其功率和帶寬歸一化最小等效吸收系數(shù)為1.5×10-9W·cm-1·Hz-1/2[5]；……