我國研究團隊在痕量氣體光聲檢測方面獲進展
【化工儀器網 項目成果】近日，中科院合肥研究院安光所研究團隊在痕量氣體光聲檢測研究方面取得新進展，研制出一種基于多重反射的高靈敏度差分亥姆霍茲光聲電池，在體積更小、耗氣量少的情況下，實現了甲烷的高靈敏度檢測。相關研究成果發表在國際知名光學期刊Optics Express上。
痕量氣體是大氣中濃度低于10E-6的粒種，大氣中除氮、氧、氬、二氧化碳之外的氣體大多屬于痕量氣體。痕量氣體檢測在許多領域都有著重要作用，如工業過程檢測、人體呼吸氣體檢測等，尤其是大氣環境監測。大氣中的痕量粒種，如氮氧化合物、碳氫化合物、硫化物和氯化物等與溫室效應、酸雨、光化學煙霧等密切相關，對全球生態環境有著重大影響。
目前已有多種痕量氣體檢測技術，包括中紅外激光光譜、光腔衰蕩光譜(CRDS)、噪聲免疫腔增強光外差分子光譜技術(NICE-OHMS)等。光聲光譜具有靈敏度高、選擇性好、響應速度快、模塊緊湊等優點，同樣可以用于痕量氣體濃度檢測。然而光聲光譜容易受到環境噪聲、氣流噪聲和光學系統引入的相干噪聲的影響，在同時抑制相干與非相干噪聲、增強光聲信號方面鮮有報道。
研究團隊研發了一種基于多重反射的差分亥姆霍茲光聲電池(DHPAC)，并通過有限元仿真對其各項性能參數進行了改進。不同于傳統的差分亥姆霍茲光聲電池和差分H型光聲電池，激發光可以在光聲電池的鍍金壁上多次反射，增加被測氣體的吸收路徑。同時多次反射還可以有效提高光聲信號的強度。此外，研究團隊采用波長調制與二次諧波技術抑制相干噪聲，并且由于該光聲池的差分特性，使非相干噪聲得到極大抑制。
在甲烷氣體檢測實驗中，該光聲傳感器表現出了良好的線性度和靈敏度。當激發光源為較低功率(6mW)的近紅外(1653nm)分布式反饋激光器時，在1s的檢測時間內實現了甲烷氣體177ppb的最低檢測限。
研究人員表示，理論上，如果采用更高光功率的中紅外激光器，可以實現亞ppb級檢測。同時，由于準直后的激發光仍有一定的發散角，光能經過多次反射后會消散。因此，可以將吸收腔內壁加工成具有一定弧度的橢圓面，這將重新會聚反射光束并進一步增加反射次數。該工作為高靈敏度光聲電池的設計和優化提供了參考。
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