腔增强型石英谐振光声光谱的技术研究

石英谐振增强光声光谱具有大动态范围、快速响应时间、噪声免疫和设备体积小的优点，并与传统的光声光谱具有可比的探测灵敏度。但在一些需要超高灵敏的气体探测应用领域，如石油勘探、微电子工业、疾病诊断等，当前的探测水平还不能够满足需要。本项目拟把石英谐振增强光声光谱与光学腔相结合，发展一种新型的光声光谱技术- - 腔增强型石英谐振光声光谱技术。其基本原理是利用光学腔内光束高功率特点和光声光谱灵敏度与光功率成正比的特性，配合微型声音共振腔进一步产生的信号幅值增强，使最小探测吸收预计达到10^-13cm-1，接近目前超高灵敏的探测技术- - 噪声免疫腔增强光外差分子光谱的灵敏度。这种新型技术与其它高灵敏光学气体探测技术不同，它不受光源波长限制，能够被应用于从紫外到中红外的所有探测波段中，具有广泛的应用前景，对于当前中红外探测技术的发展具有重大意义。

光声光谱技术不仅是一种零背景探测技术，而且有着探测灵敏度与探测光功率成正比的特性；而腔增强吸收光谱技术由于光能量在光学腔内的积累，其腔内部功率密度能够达到很高的水平。本项目正是把最新的石英增强光声光谱技术与腔增强光谱技术结合，利用光学腔内光束高功率特点和光声光谱灵敏度与功率依赖关系，配合微型声音共振腔达到进一步增强其探测灵敏度的效果。在本项目的执行中，主要研究了光学腔参数配置优化；分析了腔镜反射率及位置对探测灵敏度关系；优化了微型声音共振腔参数；实现了光学腔与激光频率的锁定；并基于此技术的研发，开发了四种不同用途的气体传感器。最终，使新发展的腔增强型石英谐振光声光谱技术所获得的归一化噪声等价吸收系数达到8.5×10^-11Wcm^-1Hz^-1/2。尽管与最初预测的10^-13 Wcm^-1Hz^-1/2探测水平仍旧差两个数量级，但当前的探测水平创造了石英增强光声光谱的最低记录。由于光声光谱技术，不受光源波长限制，能够被用到从紫外到太赫兹所有波段，所以具有很广泛的应用前景。