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我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在痕量氣體光聲檢測(cè)方面獲進(jìn)展
2022年09月22日 11:05:57
來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點(diǎn)擊量：3932
近日，中科院合肥研究院安光所研究團(tuán)隊(duì)在痕量氣體光聲檢測(cè)研究方面取得新進(jìn)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(shí)現(xiàn)了甲烷的高靈敏度檢測(cè)。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近日，中科院合肥研究院安光所研究團(tuán)隊(duì)在痕量氣體光聲檢測(cè)研究方面取得新進(jìn)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(shí)現(xiàn)了甲烷的高靈敏度檢測(cè)。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際知名光學(xué)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(cè)在許多領(lǐng)域都有著重要作用，如工業(yè)過(guò)程檢測(cè)、人體呼吸氣體檢測(cè)等，尤其是大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)。大氣中的痕量粒種，如氮氧化合物、碳?xì)浠衔?、硫化物和氯化物等與溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)煙霧等密切相關(guān)，對(duì)全球生態(tài)環(huán)境有著重大影響。
目前已有多種痕量氣體檢測(cè)技術(shù)，包括中紅外激光光譜、光腔衰蕩光譜(CRDS)、噪聲免疫腔增強(qiáng)光外差分子光譜技術(shù)(NICE-OHMS)等。光聲光譜具有靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)速度快、模塊緊湊等優(yōu)點(diǎn)，同樣可以用于痕量氣體濃度檢測(cè)。然而光聲光譜容易受到環(huán)境噪聲、氣流噪聲和光學(xué)系統(tǒng)引入的相干噪聲的影響，在同時(shí)抑制相干與非相干噪聲、增強(qiáng)光聲信號(hào)方面鮮有報(bào)道。
研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種基于多重反射的差分亥姆霍茲光聲電池(DHPAC)，并通過(guò)有限元仿真對(duì)其各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。不同于傳統(tǒng)的差分亥姆霍茲光聲電池和差分H型光聲電池，激發(fā)光可以在光聲電池的鍍金壁上多次反射，增加被測(cè)氣體的吸收路徑。同時(shí)多次反射還可以有效提高光聲信號(hào)的強(qiáng)度。此外，研究團(tuán)隊(duì)采用波長(zhǎng)調(diào)制與二次諧波技術(shù)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(cè)實(shí)驗(yàn)中，該光聲傳感器表現(xiàn)出了良好的線性度和靈敏度。當(dāng)激發(fā)光源為較低功率(6mW)的近紅外(1653nm)分布式反饋激光器時(shí)，在1s的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了甲烷氣體177ppb的最低檢測(cè)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(shí)現(xiàn)亞ppb級(jí)檢測(cè)。同時(shí)，由于準(zhǔn)直后的激發(fā)光仍有一定的發(fā)散角，光能經(jīng)過(guò)多次反射后會(huì)消散。因此，可以將吸收腔內(nèi)壁加工成具有一定弧度的橢圓面，這將重新會(huì)聚反射光束并進(jìn)一步增加反射次數(shù)。該工作為高靈敏度光聲電池的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。
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