基于石英增强光声光谱技术的四光束双组分气体检测系统

《Optics and Lasers in Engineering》：Four-off-beam two-component gas detection system based on quartz enhanced photoacoustic spectroscopy

该研究提出基于石英增强光声光谱（QEPAS）的四偏振光声微腔（AMR）双组分气体检测系统，通过双QTF和FDM技术实现甲烷与乙炔同步检测，最小检测限分别为4.57ppmv和2.07ppmv。

　　本文介绍了一种基于石英增强光声光谱（QEPAS）技术的四光束双组分气体检测系统。该系统采用了一种专门设计的四光束声学微共振器（AMR），并结合双石英调谐叉（dual QTFs）构建了一个紧凑的检测装置。研究团队通过优化光束路径和调谐叉的共振特性，实现了对两种气体成分的同时检测，并显著提升了光声信号的强度。实验结果表明，该系统在检测甲烷（CH?）和乙炔（C?H?）时，其最低可检测浓度（MDL）分别达到了4.57 ppmv和2.07 ppmv，充分证明了该系统在检测灵敏度和传感性能方面的优越性。

在现代工业和社会发展过程中，多组分气体检测技术的重要性日益凸显。随着城市化进程的加快，环境监测、医疗诊断、工业生产以及航空航天等领域的应用对气体检测提出了更高的要求。特别是在检测痕量气体方面，传统的单一气体检测方法已难以满足实际需求。因此，多组分气体检测技术逐渐成为研究热点。该技术主要依赖于光声效应，通过不同波长的激光激发目标气体，从而实现对多种气体成分的同步检测。其中，QEPAS技术因其高灵敏度、抗干扰能力强以及结构紧凑等优势，被广泛应用于气体检测领域。

QEPAS技术的基本原理是利用激光与气体分子相互作用所产生的热效应，进而引发气体的膨胀和压缩，形成声波。通过将这些声波传递至石英调谐叉，利用其共振特性将机械振动转化为电信号，从而实现对目标气体浓度的精确测量。这一过程的关键在于如何优化声学微共振器的结构，以提高信号的强度和检测的灵敏度。早期的QEPAS研究主要集中在单一气体检测，随着技术的进步，越来越多的研究开始关注多组分气体检测。为了实现对多种气体的同时检测，研究者们提出了多种方法，如时间分割复用（TDM）和频率分割复用（FDM）等。

在时间分割复用技术中，通过依次切换激光源或调谐频率，使系统能够检测不同气体成分。这种方法虽然在一定程度上提高了检测的准确性，但也存在系统响应速度较慢的问题。相比之下，频率分割复用技术能够实现对多种气体成分的连续实时检测，极大地提升了检测效率。近年来，研究人员在频率分割复用技术方面取得了显著进展。例如，Wang等人提出了一种基于四光束AMR的QEPAS传感器，通过四次激发光声信号，实现了信号强度的显著提升。同时，Li等人开发了一种结合近红外（NIR）和中红外（MIR）激光的多气体检测装置，通过分光镜实现激光的耦合，从而简化了测量流程。

本文的研究重点在于设计一种基于四光束AMR和FDM技术的双组分气体检测系统。与以往的研究相比，该系统通过优化光束路径和调谐叉的频率匹配，实现了对两种气体成分的高效检测。具体而言，系统采用了四光束AMR结构，通过四个独立的光束通道激发目标气体，从而实现信号的四次增强。此外，为了提高系统的稳定性和检测精度，研究团队还设计了双石英调谐叉，并使其共振频率与激光的调制频率相匹配，以减少信号串扰。通过合理选择激光的频率差，系统能够在保持高灵敏度的同时，实现对不同气体成分的区分。

实验结果显示，该系统在检测甲烷和乙炔时表现出优异的性能。通过优化AMR结构和激光参数，系统不仅实现了信号强度的显著提升，还有效降低了背景噪声，提高了检测的信噪比。实验过程中，研究团队采用了CH?和C?H?作为目标气体，分别在1653.72 nm和1532.83 nm波长下进行检测。实验结果表明，该系统在检测这两种气体时，其最低可检测浓度分别达到了4.57 ppmv和2.07 ppmv，显著优于传统方法。此外，该系统在检测过程中展现出良好的稳定性，能够适应不同的环境条件，为实际应用提供了可靠的技术支持。

在设计过程中，研究团队特别关注了系统的紧凑性和可扩展性。通过将四光束AMR与双石英调谐叉结合，系统在保持高灵敏度的同时，有效减少了体积，提高了便携性。此外，为了提高光束的耦合效率，系统采用了八根光纤准直器，使激光能够更均匀地分布于各个通道中。这种设计不仅提升了信号的均匀性，还减少了光束的散射和损耗，提高了检测的准确性。同时，研究团队还对系统的各个组成部分进行了优化，包括AMR的几何结构、调谐叉的材料选择以及激光的调制频率等，以确保系统的整体性能达到最佳状态。

在实验测试中，研究团队对系统进行了全面的评估和分析。通过对比不同参数下的检测结果，验证了系统在不同环境条件下的稳定性。此外，研究团队还对系统在不同气体浓度下的响应特性进行了测试，以评估其检测灵敏度和准确性。实验结果显示，该系统在不同浓度范围内均能够实现稳定的检测，且其检测限值较低，能够满足实际应用的需求。此外，系统在长时间运行过程中表现出良好的一致性，为实际部署提供了可靠的基础。

为了进一步提升系统的检测性能，研究团队还对激光的功率进行了优化。通过提高激光的输出功率，系统能够更有效地激发目标气体，从而增强光声信号的强度。实验结果显示，激光功率的适当增加显著提高了系统的检测灵敏度，尤其是在检测低浓度气体时表现更为突出。此外，研究团队还对激光的调制频率进行了优化，使其能够与调谐叉的共振频率相匹配，从而减少信号串扰，提高检测的准确性。

在系统设计过程中，研究团队还考虑了多组分气体检测的挑战。例如，不同气体成分的吸收光谱可能存在重叠，导致信号的干扰。为了克服这一问题，研究团队通过合理选择激光的波长和调谐叉的频率，实现了对不同气体成分的区分。此外，研究团队还对系统的响应速度进行了优化，使其能够在较短时间内完成对多种气体成分的检测。这一优化不仅提高了系统的效率，还增强了其在实际应用中的适应性。

综上所述，本文提出了一种基于四光束AMR和FDM技术的双组分气体检测系统，该系统在结构设计、信号增强和检测精度等方面均表现出显著优势。通过合理选择激光参数和调谐叉的频率，系统能够实现对两种气体成分的同时检测，并在检测过程中展现出良好的稳定性和灵敏度。实验结果表明，该系统在检测甲烷和乙炔时达到了较低的最低可检测浓度，为多组分气体检测技术的发展提供了新的思路和方法。此外，该系统在实际应用中的紧凑性和可扩展性也为未来的气体检测设备设计提供了参考价值。