高灵敏度中红外光纤倏逝波型多音叉增强光声光谱痕量气体传感技术研究

Gas sensing technology can be used to detect composition and concentration of trace gases effectively. Therefore it has great significance for the research of basic science and applied technology. This project aims for studying of the high sensitive gas sensing technology based on novel mid-infrared quantum cascade laser(QCL) and quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy(QEPAS). For the important difficulties in improving of system stability and detection ability, fiber evanescent wave sensing technology and QEPAS sensing technology will be combined together to solve these problems and a novel fiber evanescent wave QEPAS sensing method based on QCL and mid-infrared solid core single mode fluoride fiber will be realized. Furthermore, multiple quartz tuning forks will be adopted to detect the acoustic wave signal and a multi-quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy(M-QEPAS) will be created for the first time. The key component of quartz turning fork in QEPAS sensor will have a thoroughly study to demonstrate the effect of resonant frequency on the M-QEPAS system performance. A complete and correct theoretical acoustic wave transmission model for the microresonator will be established and analyzed. It can be used for optimizing design of fiber evanescent wave M-QEPAS system. The project will invent a new type sensing technology of fiber evanescent wave M-QEPAS sensor firstly. And the sensor system performance could be enhanced by research on several scientific issues. The final purpose of the project is to provide new technical method and scientific guidance for high sensitive gas sensing technologies.

气体传感技术可有效地检测痕量气体成分及浓度，对于基础科学和应用技术研究都具有非常重要的意义。本项目将对基于新颖中红外量子级联激光器(QCL)的石英增强光声光谱(QEPAS)高灵敏气体传感技术展开研究。而针对QCL QEPAS技术中提高系统稳定性和系统探测能力的关键难题，构建基于中红外QCL和中红外氟化物玻璃实芯单模光纤结构的新型中红外光纤倏逝波型QEPAS气体传感技术，并创造性地采用多个石英音叉进行声波信号探测，首次构造多音叉增强光声光谱技术(M-QEPAS)。本项目深入研究QEPAS技术中的核心元件石英音叉共振频率特性对光纤倏逝波型M-QEPAS技术的性能影响，并探索建立完整正确的微共振腔声波传输理论模型，用于该技术的优化设计。即本研究将首先构建一种新型传感技术，并通过关键科学问题的研究提高其性能水平，最终为高灵敏度气体传感技术提供新型技术手段和科学指导。

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。本项目针对石英增强光声光谱(QEPAS)检测技术中提高系统稳定性和系统探测能力的关键难题，构建了基于中红外量子级联激光器和光纤倏逝波的QEPAS气体传感技术，并创造性地采用多个石英音叉进行声波信号探测，首次构造了多音叉增强光声光谱技术(M-QEPAS)。同时，本项目还深入研究了声波传感器石英音叉共振频率特性对该新型QEPAS技术性能的影响，并探索建立了完整正确的微共振腔声波传输理论模型，用于该技术的优化设计。通过本项目的研究：(1)实现了一种基于新颖中红外量子级联激光器的超高灵敏度QEPAS气体传感技术，系统的探测极限可以达到ppt~ppb量级；(2) 将光纤倏逝波技术与QEPAS技术进行了结合，构建了新颖的倏逝波型QEPAS技术，在此基础上，还实现了一种新型远距离、分布式的气体浓度测量方法，并在3 km长的光纤中得到验证；(3) 提出了一种新型的多音叉增强光声光谱技术(M-QEPAS)，并进行了实验验证。相比传统单音叉QEPAS技术来说，传感器的探测性能得到了明显改善；(4) 得到了QEPAS系统信噪比随石英音叉共振频率的变化规律，为高灵敏度M-QEPAS及其他QEPAS技术优化设计提供了科学指导。研究发现石英音叉的共振频率越低，QEPAS系统的信号幅值和噪声幅值越大，但信噪比越高。因此，在所测试的频率范围内(30 kHz~38 kHz)，采用共振频率越低的石英音叉将会改善QEPAS系统的性能；(5) 建立了微共振腔声波场理论模型，得到了共振管的理论最优长度应为λs/4~λs/2(λs为声波波长)，并进行了实验验证。总之，通过本项目的研究，实现了多种改进石英增强光声光谱性能的新方法，并建立了相应的理论模型，用于发现本质规律。同时，基于这些研究结果，还在本领域国际顶级期刊上发表了十余篇高水平学术论文，扩大了国内研究学者在国际学术领域的影响。