【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(shí)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(cè)。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(guó)科學(xué)院主管的英文學(xué)術(shù)期刊《光電進(jìn)展》(Opto-Electronic Advances，簡(jiǎn)稱OEA)。
 

　　痕量氣體指的是體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于1%的氣體，大氣中的氮氧化物、碳?xì)浠衔锖土蚧锏葰怏w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(wèn)題緊密相關(guān)。因此，檢測(cè)痕量氣體對(duì)環(huán)境保護(hù)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(guó)際上提出石英增強(qiáng)光聲光譜(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy，簡(jiǎn)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(duì)氣室結(jié)構(gòu)和尺寸的限制，能夠檢測(cè)小體積內(nèi)的痕量氣體樣本，同時(shí)當(dāng)石英音叉與腐蝕性或氧化性氣體接觸時(shí)，其表面的電極會(huì)被破壞，嚴(yán)重影響檢測(cè)性能。2018年，馬欲飛課題組提出一種非接觸式氣體檢測(cè)方法——光致熱彈光譜(light-induced thermoelastic spectroscopy，簡(jiǎn)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(cè)的能力，迅速成為研究焦點(diǎn)，并與石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)相互補(bǔ)充，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。如何進(jìn)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(diǎn)，因此對(duì)石英音叉這一核心探測(cè)元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵技術(shù)難題。
 

石英增強(qiáng)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(duì)這一難題，馬欲飛課題組設(shè)計(jì)了一種新型四叉指石英音叉，通過(guò)增加叉指數(shù)目擴(kuò)大應(yīng)力集中區(qū)域，從而有效提高了聲波檢測(cè)效率，并在相同的激勵(lì)條件下產(chǎn)生更大的壓電信號(hào)，同時(shí)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(diǎn)。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(cè)氣體對(duì)四叉指音叉性能進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)，信噪比可提高至未配置時(shí)的147.72倍，系統(tǒng)的最小檢測(cè)限分別達(dá)到21 ppb和96 ppb，進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)光聲光譜傳感系統(tǒng)的2f信號(hào)；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(qiáng)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(cè)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(hào)；(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(rùn)秋為論文第一作者。課題組何應(yīng)副教授、喬順達(dá)副研究員參與相關(guān)工作。
 

　　該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目及哈工大青年科學(xué)家工作室等項(xiàng)目資助。