一种光声光谱声学传感器及痕量气体检测装置

本发明属于石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacousticspectroscopy，qepas)，更具体地，涉及一种光声光谱声学传感器及痕量气体检测装置。

背景技术：

1、痕量气体是指浓度在百万分之一以下的气体。它的检测技术在农业监测、气体泄漏检测、工业过程控制和人类呼气诊断等领域有着广泛的需求。基于检测原理，气体传感器主要分为非光学类气体传感器和光学类气体传感器两大类。非光学类气体传感器的成本较高，而且结构复杂、响应慢且稳定性差。随着激光技术的发展，光学类气体传感器以其灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点在近年来得到广泛研究。光学传感技术主要有直接吸收光谱、波长调制光谱、腔增强光谱和光声光谱等，其中间接检测光声信号的光声光谱技术由于其简单的结构而具有独特优势。

2、和其他光学类气体传感器相比，光声光谱的优点是可以在较小的空间内实现高灵敏探测。因此基于光声光谱原理的探测仪器可以微型化和模块化。近几十年来，用于痕量气体检测的光声光谱(photoacoustic spectroscopy，pas)技术得到了长足地发展和应用。光声光谱作为一种基于光声效应而开发的探测技术，其原理为目标气体分子被调制激光从基态激发到激发态。由于处在高能态的分子不稳定而会发生退激发，被分子吸收的能量通过振动平移(v-t)弛豫周期性地转化为热能，气体内局部的温度变化会导致压强发生变化，进而产生压力波，即声波。使用悬臂梁、麦克风等声学传感器将声信号转换为电信号，就可以反演出待测气体的浓度。

3、基于传统光声光谱技术的基础上，美国莱斯大学的anatoliy kosterev博士以及frank tittel教授等人于2002年首次研究并报道了qepas技术。在qepas系统中，石英音叉(quartz tuning fork，qtf)被用作压电换能器，将声波转换为电信号。与传统使用麦克风的光声光谱系统相比，qepas具有更高的q因子(104-105)和更窄的谐振频率带宽(2hz-4hz)。在近二十年里，qepas在农业监测、气体泄漏检测、工业过程控制和人体呼吸分析等领域的痕量气体检测应用中发挥了极其关键的作用。光声信号的振幅s可以用以下式子(1)来表示：

4、

5、式中，α和p分别为目标气体分子的吸收系数和光功率。q和f0分别为qtf的品质因子和谐振频率。由此式观察到光声信号幅值与激发光的光功率成正比关系。

6、为了避免在开放式激发中需要精确聚焦光线到探测器件的苛刻条件，实现空间扩展和分布式传感，微纳光纤倏逝波qepas传感器应运而生。与自由空间激光直接激发不同，该技术是利用微纳光纤的倏逝波来进行光声激发。专利文献cn105548023a公开一种基于光纤谐振腔的倏逝波型光声光谱微量气体传感器及测量方法，参见图1，其利用激光束在环形封闭光纤中进行循环传输，采用相位调制器，便可使得此种普通光纤构成环形腔。该技术仅为光纤在空间位置上经过音叉的局部拉细制作成微纳光纤，利用该部分微纳光纤形成的倏逝波激励分子的光声效应。但是由于光纤直接穿过音叉，气体的光学吸收路径没有改变(等于音叉的厚度)，导致光声信号激发的幅值有限，使得其检测精度有限，无法广泛适用。另外该方案需要另外增加光纤合束器和相位调制器来构成光纤谐振腔，光纤合束器和相位调制器在其中起到循环光波导和人工调节相位，进而形成干涉的作用。该方案的整体架构是将音叉加入到谐振腔内，从而导致整个传感器的体积比较大，结构相对复杂。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光声光谱声学传感器及痕量气体检测装置，旨在解决由于倏逝场光功率限制导致光声光谱声学传感器无法高精度检测、以及将音叉加入环形腔内部导致的体积较大和结构复杂的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种光声光谱声学传感器，包括：微纳光纤环形结谐振腔和石英音叉；

3、所述微纳光纤环形结谐振腔包括：微纳光纤环形结、第一单模光纤以及第二单模光纤；所述微纳光纤环形结由一段微纳光纤绕成环形构成，环形的连接点处微纳光纤的两端相互接触，作为环形的结，且微纳光纤的两端分别作为微纳光纤环形结的输入端和输出端；所述第一单模光纤连接微纳光纤环形结的输入端，第二单模光纤连接微纳光纤环形结的输出端；

4、所述微纳光纤环形结置于所述石英音叉的两个振臂内侧，即将谐振腔置入音叉内部；所述石英音叉，用于测量激光输入到所述微纳光纤环形结谐振腔后振臂附近的声波场信号，所述声波场信号携带微纳环光纤环形结附近气体的相关信息。

5、需要说明的是，与传统光纤相比，微纳光纤的显著差异在于其传播机制主要依赖于倏逝波。由于这一特性，微纳光纤间的光耦合可以通过简单的接触实现，而无需专用耦合器。微纳光纤结型谐振腔的构成是通过微纳光纤弯曲并自我打结而成，其中重叠区域充当耦合器的角色。光束在此耦合区内绕行光纤环，通过反复折射达到动态平衡。在腔内，由于光程差，光束的连续折射导致环状结构产生谐振。当输入光波长与特定的耦合间距相匹配时，光场将以倏逝波形式耦合至微环谐振腔内。当光束在腔内传播一周且满足结型谐振腔的谐振条件时，相应波长的输出光谱会展现出显著的谐振峰。

6、进一步地，现有专利文献1公开的方案是通过相位调制器形成光纤谐振腔，由于相位调制器的体积通常较大，导致整个谐振腔无法置入音叉中；而本发明不需要依赖相位调制器，只需要将微纳光纤打结。由于倏逝场在结处反复循环，微纳光纤在结区的弯曲处形成了多种模式的倏逝场，这些模式自发干涉形成了光纤谐振腔。因此本发明能够直接将微纳光纤环形结谐振腔置入音叉中，大大减小了传感器的体积，且增加了光声信号的作用光程，提高了传感器的测量精度。

7、本发明利用微纳光纤环形微腔的谐振效应提高激发光倏逝场的光功率，进而增强qepas的光声信号。

8、具体地，当微纳光纤环形结的尺寸足够小时，可以直接置于石英音叉的两个振臂内侧；但是当微纳光纤环形结的尺寸相对较大时，需要将石英音叉的两个振臂进行加工，具体为：

9、所述石英音叉的两个振臂内侧具有对称的弧形缺口，在石英音叉中间构成圆形空隙；所述微纳光纤环形结置于所述圆形空隙内。

10、可以理解的是，当本发明提供的石英音叉由于其具有圆形空隙，类似钳的外形，因此也可称其为钳形定制石英音叉。为方便说明，本发明以下实施例以钳形定制石英音叉进行举例说明，但是本领域技术人员能够理解的是，当石英音叉两个振臂之间的空隙足够大，则不需要对音叉的振臂额外进行加工，能够直接将微纳光纤环形结置于音叉内部，因此本发明对此不做任何限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择设置。

11、在一种可能的实现方式中，所述微纳光纤环形结置于所述圆形空隙内，具体为：所述微纳光纤环形结被悬空放置在所述圆形空隙内，不与石英音叉接触，且微纳光纤环形结的平面与石英振臂平行。

12、在一种可能的实现方式中，微纳光纤环形结的环形的连接点处两端相互接触为：两端相互交叉接触、两端平行接触或两端打结接触。

13、在一种可能的实现方式中，当激光从第一单模光纤输入时，从所述结处，一部分激光经过微纳光纤环形结内部后再经过所述结从第二单模光纤输出，另一部分激光以倏逝场的形式在微纳光纤环形结的表面反复循环传输，使得附近的气体吸收倏逝场的能量产生声波场。

14、在一种可能的实现方式中，所述微纳光纤环形结谐振腔的谐振频率由微纳光纤环形结的材料和几何结构尺寸决定。

15、需要说明的是，微纳光纤环形结谐振腔的原理可参考微环谐振腔的原理。本发明对此不做赘述。

16、可以理解的是，当微纳光纤环形结谐振腔谐振时，其表面倏逝场的光功率增强，对应激发气体的光声信号将大大增强。相比现有普通的倏逝场激发光声信号的形式，本发明通过微纳光纤环形结谐振腔激发光声信号的强度增加了将近一个数量级，大大提高了传感器的测量精度。

17、在一种可能的实现方式中，所述激光的波长与微纳光纤环形结谐振腔的谐振处的波长相同。

18、具体地，当激光波长与谐振处的波长相同时，倏逝场发生谐振，倏逝场的能量被增强，对应的声波场信号被大大增强，可以提高传感器的检测精度。

19、在一种可能的实现方式中，所述微纳光纤环形结谐振腔的谐振波长在所述气体的吸收波长范围内。

20、具体地，当谐振波长与气体吸收波长一致时，附近的气体能够更好地吸收倏逝场的能量，产生幅值相对较高的声波场，提高了传感器的探测精度。

21、在一种可能的实现方式中，所述微纳光纤环形结谐振腔的谐振波长在所述气体的吸收波长范围内，且所述激光的波长与微纳光纤环形结谐振腔的谐振处的波长相同。

22、第二方面，本发明提供了一种痕量气体检测装置，包括上述第一方面或第一方面任一种可能的实现方式所描述的光声光谱声学传感器；

23、所述微纳环光纤环形结附近的气体为待测痕量气体。

24、需要说明的是，当第一方面提供的光声光谱声学传感器用于测量痕量气体时，可以作为痕量气体检测装置。

25、在一种可能的实现方式中，该装置还包括：激光器和信号解调器；

26、所述激光器，用于发射激光，并将激光输入到所述声光谱声学传感器；

27、所述光声光谱声学传感器，用于获取激光作用待测痕量气体之后的声波场信号；

28、所述信号解调器，用于对所述电信号解调，得到待测痕量气体的浓度信息。

29、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

30、本发明提供一种光声光谱声学传感器及痕量气体检测装置，首次将微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉应用于石英增强光声光谱痕量气体检测技术。这一发明兼具以下三个独特的优势：1)相对于自由空间光学谐振腔，该发明具有小巧紧凑的尺寸；2)该发明延长了有效激发光的光程，能够使得待测气体充分吸收激发光的能量产生幅值相对较高的声波信号；3)提高了激发光的光功率。这种紧凑性使微纳光纤环形结谐振腔能够嵌于钳形定制石英音叉的孔径内。延长的有效激发光的光程有益于目标气体分子对光进一步吸收并且产生更强烈、稳健的声波推动钳形定制石英音叉振动。通过将构造光学相长干涉条件作用波长与激光波长相一致，使得激发光的倏逝场光功率增加，从而显著增强了光声信号。与传统的微纳光纤倏逝波qepas技术相比，该发明将探测灵敏度提高了将近一个数量级。