基于宽带可调谐固体激光源的内腔增强型超高灵敏度石英光声光谱技术研究

Gas sensing technology based on quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy(QEPAS) is developing rapidly in recent years. In order to improve the performance of detection limit of QEPAS, this project combines solid-state laser technique and QEPAS method together. A new intra-cavity QEPAS technique based on widely tunable solid-state Ho:SSO laser is proposed, which means that put an acoustic transducer quartz turning fork into the laser cavity. Therefore, the high laser power intensity and excellent oscillation mode in the intra-cavity are utilized. The acoustic wave signal will be amplified and the sensor performance will be improved. This project will focus on an excellent laser source firstly which is suitable for the intra-cavity QEPAS technique. At the meantime, the effective laser modulation mode, signal improvement method, and mechanism of production of optical noise and its suppression method for the intra-cavity QEPAS with high laser power intensity will be investigated. Several trace gases will be detected and the detection limit will achieve ppt level. This project presents a new method for ultra-high sensitive trace gas detection. It will provide theoretical basis and technical guidance for the intra-cavity QEPAS technique based on other laser sources, and it is also beneficial for other intra-cavity enhanced gas sensing techniques.

基于石英增强光声光谱(QEPAS)的气体传感技术近年来发展迅速，为了进一步提高其性能，针对改进QEPAS气体传感技术检测极限的难题，本项目提出将固体激光技术与QEPAS传感技术相结合，放置声波探测元件石英音叉于激光器谐振腔内，充分利用固体激光谐振腔内的超强功率密度和优异激光振荡模式来提高声波信号水平和改善传感系统性能，构建基于新型宽带可调谐Ho:SSO固体激光器的新颖内腔增强型QEPAS气体传感技术。项目首先研究适用于内腔增强型QEPAS技术的优异固体激光光源，同时研究内腔增强型QEPAS传感系统中的有效激光调制模式、信号增强方法、内腔高功率情况下的光学噪声产生机理及其抑制方法，达到对多种痕量气体ppt量级的检测。通过本项目的研究，实现一种性能优越的新型超高灵敏度痕量气体传感技术，并为其他类型光源构建内腔增强型QEPAS技术以及构建其他内腔增强型气体传感技术提供理论基础和技术借鉴。

痕量气体传感技术可有效地检测气体成分及浓度，对于基础科学和应用技术研究都具有非常重要的意义。石英增强光声光谱(QEPAS)是一种新型的痕量气体检测技术，本项目针对如何提高石英增强光声光谱传感技术检测极限的热点难题，提出将固体激光技术与光声光谱传感技术相结合，构建了基于宽带可调谐固体激光器的光声光谱气体传感技术，同时对影响这种新型光声光谱技术性能的多个科学问题展开了理论和实验研究，阐明了其中涉及的科学规律。通过本项目的研究：(1) 完成了采用双标准具进行Tm:YAP作为增益介质的激光器单频选取方面的理论研究，为后续宽带可调谐单频激光器的实现提供理论依据。基于多光束干涉原理，对于不同厚度以及反射率的标准具插入激光器谐振腔后频率的选取进行了理论计算。同时，利用温度控制谐振腔光学长度结合标准具角度调节，实现了激光频率的精细调谐研究；(2) 针对目前石英增强光声光谱单声源激发强度弱的问题，提出了多声源激发增强的概念，将传统的点源激励转变为了多声源激励。在此基础上，还提出了面内入射技术，打破了传统石英增强光声光谱技术中的面外激光入射方式，将音叉从将传统的“点源激励”转变为了“线源激励”，信号强度较传统面外方式提高了40多倍，为石英增强光声光谱技术中的音叉激励方式提供了新思路；(3) 设计搭建了Tm:YAP激光器系统，实现单频输出并对各项输出特性进行了研究。获得激光线宽为163.05 MHz、最大功率为150.5 mW、水平与竖直方向的M2分别为1.40与1.31，实现了1932 nm-1942 nm的10 nm左右波长调节范围，宽的调谐范围覆盖了H2O和NH3气体的吸收线，为后续光声光谱技术研究提供了良好的光源；(4) 以Tm:YAP单频激光器作为光源，搭建了基于光声光谱的H2O和 NH3传感系统，实现了H2O与NH3两种气体在中红外波段的检测，最小探测极分别为4.54 ppm和7.60 ppm。总之，通过本项目的研究，实现了性能优异的、可用于气体传感领域固体激光，并进行了多种传感技术的研究。基于这些研究结果，在本领域国际顶级期刊上发表了30余篇高水平学术论文。