研究人员设计了一种新型的双共振光声气体传感器

基于光声光谱（PAS）技术的气体传感器具有可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)的高灵敏度、高选择性和宽动态范围等优点，在实际应用中，对传感器性能的要求越来越高。大量的研究都集中在声学谐振器或者光学谐振器上，以增强声波或者光波。但是，灵敏度和动态范围不能同时得到提高。

图1 双共振光声光谱（PAS）的工作原理。ASW：声驻波；OSW：光学驻波；QTF：石英音叉。OSW的幅度在QTF的谐振频率处被调制。根据声波频率设计了声学谐振腔的几何形状。图片来源：Photoacoustics（2022年）。DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100387

最近发表在《Photoacoustics》期刊上的一项研究中，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 ( CIOMP ) 的 WANG Zhen博士和WANG Qiang教授开发了一种基于双谐振PAS的新型气体传感器，该传感器将光学和声学谐振器结合在一厘米长的装置中，并利用了双驻波效应，这使得声波和光波都显著增强了几个数量级。通过入射激光频率与光学谐振腔纵模的共振，一对谐振腔镜形成驻波。这种高精度的光学谐振腔可以直接放大光声信号，从而获得显著增强激光功率。入射激光的强度调制具有与转换器相同的谐振频率。在一个专门设计的一维声学谐振器中，产生的声波被增强两个数量级。

在相同的实验条件下，测量了三种不同构型的C2H2线在1531.6 nm 处的 PAS-1f 信号。联合的光声放大提供了105的增强因子。用不同的C2H2 /N2混合物对传感器进行了线性响应测试，结果表明，该传感器在1 ppb~50 ppm范围内具有非常好的线性响应，采用 Allan-Werle 偏差分析法评估了其长期稳定性和最低检出限。在平均时间为300 s时，噪声当量浓度 (NEC) 可以提高到0.5 ppt，使 NEA 系数达到5.7×10 -13 cm -1. 实验结果表明，所开发的光声气体传感器实现了1.0×10 8的动态范围。

与目前最先进的PAS气体传感器相比，他们所开发的光声气体传感器实现了创纪录的灵敏度和动态范围，这将为科学探索提供了一件强有力的工具。

消息来源：

https://phys.org/news/2022-10-doubly-resonant-photoacoustic-gas-sensor.html

[1] Zhen Wang et al, Doubly resonant sub-ppt photoacoustic gas detection with eight decades dynamic range, Photoacoustics (2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100387