【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，航天學(xué)院馬欲飛教授課題組實現(xiàn)基于新型四叉指石英音叉的高靈敏度激光光譜氣體檢測。相關(guān)研究成果以《基于新型四叉指石英音叉的高靈敏度激光光譜傳感器》(Highly sensitive laser spectroscopy sensing based on a novel four-prong quartz tuning fork)為題發(fā)表于中國科學(xué)院主管的英文學(xué)術(shù)期刊《光電進展》(Opto-Electronic Advances，簡稱OEA)。
痕量氣體指的是體積分數(shù)遠小于1%的氣體，大氣中的氮氧化物、碳氫化合物和硫化物等氣體雖然含量低，但與酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層破壞等環(huán)境問題緊密相關(guān)。因此，檢測痕量氣體對環(huán)境保護有著重要意義，并在工業(yè)、醫(yī)療和火災(zāi)預(yù)警等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。
2002年，國際上提出石英增強光聲光譜(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy，簡稱QEPAS)。與傳統(tǒng)光聲光譜相比，該技術(shù)有效消除了聲學(xué)共振條件對氣室結(jié)構(gòu)和尺寸的限制，能夠檢測小體積內(nèi)的痕量氣體樣本，同時當(dāng)石英音叉與腐蝕性或氧化性氣體接觸時，其表面的電極會被破壞，嚴(yán)重影響檢測性能。2018年，馬欲飛課題組提出一種非接觸式氣體檢測方法——光致熱彈光譜(light-induced thermoelastic spectroscopy，簡稱LITES)。該技術(shù)憑借其高靈敏度、快速響應(yīng)以及非接觸式全波段光譜檢測的能力，迅速成為研究焦點，并與石英增強光聲光譜技術(shù)相互補充，適用于不同的應(yīng)用場景。如何進一步提高兩種技術(shù)傳感系統(tǒng)的靈敏度是當(dāng)前研究的重點，因此對石英音叉這一核心探測元件進行優(yōu)化設(shè)計成為關(guān)鍵技術(shù)難題。
石英增強光聲光譜應(yīng)力分布仿真：(a)標(biāo)準(zhǔn)音叉；(b)四叉指音叉
光致熱彈光譜溫度分布仿真：(a)標(biāo)準(zhǔn)音叉；(b)四叉指音叉
針對這一難題，馬欲飛課題組設(shè)計了一種新型四叉指石英音叉，通過增加叉指數(shù)目擴大應(yīng)力集中區(qū)域，從而有效提高了聲波檢測效率，并在相同的激勵條件下產(chǎn)生更大的壓電信號，同時兼具低共振頻率、大叉指間距和T形叉指等新型石英音叉優(yōu)點。研究人員分別在兩種技術(shù)傳感系統(tǒng)中，利用乙炔(C2H2)作為檢測氣體對四叉指音叉性能進行了對比驗證。實驗結(jié)果表明，與基于標(biāo)準(zhǔn)石英音叉的傳感系統(tǒng)相比，基于四叉指音叉的石英增強光聲光譜傳感系統(tǒng)和光致熱彈光譜傳感系統(tǒng)，信噪比分別提高了4.67倍和4.52倍，當(dāng)四叉指音叉配備聲學(xué)微諧振管時，信噪比可提高至未配置時的147.72倍，系統(tǒng)的最小檢測限分別達到21 ppb和96 ppb，進而證明了四叉指音叉應(yīng)用于激光光譜傳感領(lǐng)域的優(yōu)越性。
傳感器結(jié)構(gòu)示意圖：(a)基于四叉指音叉的石英增強光聲光譜傳感系統(tǒng)；(b)基于四叉指音叉的光致熱彈光譜傳感系統(tǒng)；(c)四叉指音叉(左)和標(biāo)準(zhǔn)音叉(右)照片
(a)基于標(biāo)準(zhǔn)音叉、四叉指音叉以及配備聲學(xué)微諧振管的四叉指音叉的石英增強光聲光譜傳感系統(tǒng)的2f信號；基于(b)標(biāo)準(zhǔn)音叉、(c)四叉指音叉和(d)配備聲學(xué)微諧振管的四叉指音叉的石英增強光聲光譜傳感系統(tǒng)噪聲水平
光致熱彈光譜傳感器的濃度測試結(jié)果：(a)基于四叉指音叉的系統(tǒng)在不同濃度乙炔下的2f信號；(b)濃度線性響應(yīng)
哈工大為論文唯一通訊單位，馬欲飛教授為論文唯一通訊作者，課題組博士研究生王潤秋為論文第一作者。課題組何應(yīng)副教授、喬順達副研究員參與相關(guān)工作。
該研究獲國家自然科學(xué)基金重點項目及哈工大青年科學(xué)家工作室等項目資助。
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