关键词:
光声光谱
半球形声学共振腔
气体传感
甲烷
甲醛
摘要:
声学共振腔是光声吸收光谱技术的重要器件,相比于传统使用的圆柱形声学共振腔,球形声学共振腔具有体积小、品质因数高、更易提高气体吸收路径等优点。为进一步减小声学共振腔体积,实现微型化声学共振腔,本文首次报道了一种基于半球形声学共振腔的光声光谱气体传感系统,该半球形声学共振腔半径为15 mm,容积为7.07 mL。通过理论仿真和实验测试验证,测量出半球形声学共振腔的频率响应曲线,进一步确定了半球形声学共振腔的最佳工作频率和麦克风位置。为进一步提高光声光谱气体传感系统性能,通过增大声学共振腔的光线入射口尺寸,与多通池相耦合在一起,进一步增加气体吸收路径。多通池由两个反射镜构成,反射镜直径为25.4 mm,曲率半径为100 mm,距离20 cm,反射镜面上反射光斑为单线点模式,最终通过使用多通池提高了6倍的甲烷光声吸收信号幅值和4倍的甲醛光声吸收信号幅值。通过使用多麦克风方法,将光声光谱信号幅值提升了4倍。最终,光声光谱仪器耦合了发射波长位于1653和3640 nm的两个可调谐激光器,两个激光器通过不同位置入射至声学共振腔中,实现了甲烷和甲醛两种气体的测量,检测灵敏度为2.11×10^(-6)(20 s)和0.71×10^(-6)(20 s)。通过测量不同甲烷浓度下光声信号校准了光声光谱系统,实验结果表明光声信号与气体浓度具有良好的线性关系。通过使用Allan标准差方法评估光声光谱系统在长时间工作下的仪器稳定性,在仪器最佳积分时间660 s,甲烷检测灵敏度提升至0.4×10^(-6)。半球形声学共振腔由于其良好的光源适用性、体积小等特点,在光声光谱气体传感领域具有良好的应用前景。