基于锤状石英音叉的光声光谱痕量气体高灵敏检测_WORD.docx
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1、引用格式:CHENZhengtSUNBo,DONG1ei,eta1.HighSensitiveDetectionofTraceGasBasedonPhotoacousticSpectroscopyviaaHammer-shapedQuartzTuningForkj.ActaPhotonicaSinica.2023,52(3):0352122引用格式:陈争,孙波,董磊,等.基于锤状石英音叉的光声光谱痕量气体高灵敏检测J.光子学报,2023,52(3):0352122基金项目:国家自然科学基金(NoS.62122045,62075119,62175137),吉林大学集成光电子学国家重点实验室开放课
2、题(No.IOSK12023KF10)笫一作者:陈争,chenzheng9704通讯作者:武红鹏,wuhp收稿日期:2023-12-12;录用口期:2023-02-13基于锤状石英音叉的光声光谱痕量气体高灵敏检测陈争卜2,孙波卜2,董磊卜2,武红鹏卜2(1山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室,激光光谱研究所,太原030006)(2山西大学极端光学协同创新中心,太原030006)摘要:针对传统商用音叉存在的共振频率高、振臂间距窄等问题,利用COMSO1有限元分析软件构建音叉理论模型,确定了音叉的共振频率及品质因数等核心电学参数与音叉几何尺寸之间的相关特性,进而通过控制音叉振臂形状、长度等几
3、何特性,设计制备了具有振臂间距宽、共振频率低且品质因数高等特性的锤状异型音叉。在将音叉外表面设置为硬声场边界条件且将音叉基座设置为固定约束条件的情况下,对锤状异型定制音叉的关键参数进行了理论计算及实验测定。结果显示,与传统商用音叉相比,异型音叉在振臂间距扩大近3倍的情况下,其共振频率和品质因数两项音叉核心电学参数分别优化了62%和14%o为验证锤状异型定制音叉在光声光谱气体传感技术中的性能,基于该定制音叉搭建了乙块石英增强光声光谱传感器.在对激光调制深度、微型声学谐振腔腔长、谐振腔装配位置等多项参数优化后,乙快传感器在3(X)ms积分时间及常温常压条件下获得的检测极限相比基于传统商用音叉搭建的
4、传感器提升了近一个数量级,达到了282x10%归一化噪声等效吸收系数可达3.84109cm-1WHzo关键词:光声光谱;石英增强光声光谱;定制音叉;锤状振臂;乙焕;气体传感器中图分类号:TP249;0433文献标识码:Adoi:10.3788gzxb20235203.03521220引言痕量气体高精度检测在环境监测、能源勘探、智慧医疗等领域有广泛的应用门。例如,通过检测烷燃及其它非燃成分的浓度和同位素比值可揭示天然气的来源及储量卬;实时检测患者呼吸气体可实现疾病的无创诊断。此外,痕量气体检测技术的发展对物理、化学等学科的发展也意义重大区91。因此,研发具备分子识别精度高、探测灵敏度高等特性的痕
5、量气体传感器具有重要的研究意义和应用价值,O近年来,光学气体检测技术随着激光技术的进步而快速发展。光声光谱技术作为光学传感技术的一种,具备检测灵敏度高、选择性好且寿命长等优点,成为最主要的痕量气体检测技术之一I。光声光谱技术通过检测气体吸收特定波长激光能量后释放的声信号获得目标气体光谱信息,进而完成对待测气体成分和浓度的探测.8。石英增强光声光谱(QUartZ-enhancedPhotoacousticSpectroscopy,QEPAS)技术于2002年被首次提出旧。在QEPAS中,小型商用音叉式石英品振也被简称为音叉(QuartzTuningFork,QTF),被用作声波探测器。由于石英的
6、压电效应,音叉振臂的弯曲会产生压电电荷并被音叉表面的金属涂层收集,经与音叉表面相连的两电极对外传输压电信号,进而实现目标气体浓度的反演黑。由于QEPAS技术采用高品质因数音叉实现声电转化,无需光学探测器,因此具备体积小、对环境噪声免疫、无波长选择性、探测灵敏度与光功率成正相关等特性-24。目前商用标准音叉直接应用于QEPAS技术存在一些不足:1)较高的共振频率导致其无法实现对低光声弛豫率气体的高灵敏探测,标准商用石英音叉的共振频率高达32.7kHz,使得QEPAS技术中低弛豫率气体分子光声转换效率较低侬;2)极窄的振臂间距导致其无法充分利用太赫兹(TeraHertz,THz)等新型光源有效提高
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