激光光声光谱（PAS，Photo Acoustic Spectroscopy ）检测技术
激光光声光谱检测技术是一种基于光声效应的光谱检测方法。
一、基本原理
当物质吸收周期性调制的光能量后，会以热的形式将光能转化为热能，导致物质温度周期性变化。由于热胀冷缩，这种温度变化会引起物质体积的周期性变化，从而产生压力波，即声信号。这个过程就是光声效应。
通过光声光谱法（PAS）可以非常精确且有选择性地检测气体。亚历山大・格雷厄姆・贝尔在 1880 年就已经描述了基本的测量原理：如果用脉冲光源照射测量池中的气体样本，气体分子会吸收光，气体样本会升温。在测量池体积大小恒定的情况下，这会产生频率与光源调制频率相匹配的声波。这些声波，即光声信号，可以用声音传感器（例如商用 MEMS 麦克风）检测到。信号幅度与吸收强度相关，因此提供了关于测量池中气体浓度的信息。
图1 光声气体检测原理图
在激光光声光谱检测技术中，使用激光作为光源，激光的调制可以分为能量（幅值）调制和波长（频率）调制两种。
（1）当激光的波长（光频率）调节到与被测物质的某一吸收波长（光频率）一致时，被测物质会强烈吸收激光能量并产生光声信号。经调制之后的光波长（光频率）周期性变化，由热胀冷缩引起的容器内压力涨落就成为声波（声频率）也随着调制频率周期变化，该声波信号能够被声敏元件所感知，再进行放大处理等形成电信号，称该信号为光声信号。通过检测这个光声信号的强度和特性，就可以确定被测物质的浓度和其他性质。
（2）对激光光束进行强度调制时，也会产生同样调制频率的声波能量。声波的能量与气体的浓度、激光器的功率等相关因素成正比例关系，通过采用高灵敏度的麦克风来收取声波的能量，就可以通过麦克风的电流大小来衡量声波能量的大小，从而反推出气体的浓度信息。
二、基本组成
常见的光声光谱气体传感装置由由六部分组成：激光器用于输出合适波长的光源、调制器用于调制激光波长、光声池中物质吸收光由于光声效应产生声信号并由声学检测元件转换成电信号、微弱的电信号经过前置放大器进行放大、放大后的电信号进入锁相放大器中进行信号的解调、最终解调出的信号通过电脑进行处理。
图2光声气体检测基本组成
麦克风实现了声信号到电信的转换，其输出的信号可以表示为
(1)
式中，S为光声信号的强度，Sm是麦克风灵敏度，P0是入射光功率，F是光声池常数，与光声池设计的结构参数有关，c是待测气体浓度，a是气体吸收系数。从式中可以看出，在麦克风的输出光声池常数和入射光功率一定的情况下，根据麦克风的输出信号幅值就能计算出待测气体的浓度。同时可以从提高麦克风灵敏度和增大入射光功率等方面降低传感器的检测极限。
三、优缺点
光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy, PAS）技术与其他气体检测技术相比，具有一些独特优势和缺点。
相对于吸收光谱技术，光声光谱技术有以下几点明显优势：
1.光声光谱技术只测量目标气体吸收激光能量后产生的声波信号，没有目标气体就不会有光声信号，因此是一种理想的零背景探测技术；
2.光声光谱是采用声学传感器来测量声波信号的，不需要光电探测器来探测光强的变化，而声学探测器是没有波长选择性的，因此基于光声光谱技术的气体传感器可以利用从紫外到可见光、近红外、中红外以及 THz等各个波长的激励光源；
3.光声光谱技术的响应范围宽，线性度好以及长期稳定性比较好，因此对于传感器的校准，理论上一个校准点就可以获得传感器的响应信号值和气体浓度的特征函数；
4.光声光谱气体传感器的体积小，响应快，有利于在实际应用中现场检测。
同时也存在一些缺点和局限性。了解这些缺点有助于在选择检测技术时做出更合适的选择。以下是PAS技术与其他气体检测技术相比的一些主要缺点：
1.高初始成本：高质量的PAS系统通常需要使用高性能的激光器、高灵敏度的麦克风和复杂的信号处理单元，这使得初始投资成本较高。相比之下，一些传统的检测技术如红外光谱（IR）和气相色谱（GC）可能在初期成本上更具优势。维护成本：激光器和高灵敏度传感器需要定期维护和校准，增加了长期使用的成本。这些维护工作可能需要专业的技术支持。
2. 技术复杂性专业要求：PAS系统的操作和维护需要专业的知识和技术，普通用户可能难以掌握。这限制了PAS技术在一些非专业环境中的应用。校准难度：PAS系统需要定期校准以确保准确性，这可能需要专门的设备和人员。相比之下，一些其他技术如红外光谱（IR）可能更容易校准和维护。
3. 环境依赖性温度和压力影响：PAS系统的性能受温度和压力变化的影响较大。温度和压力的变化可能导致基线漂移和检测结果的不准确。在户外或工业环境中，这些因素可能更加显著。背景噪声：环境中的机械振动和声噪声可能干扰PAS系统的检测，尤其是在户外或工业环境中。相比之下，一些其他技术如质谱（MS）可能对这些干扰更不敏感。
4.限制波长选择：PAS技术的有效性依赖于选择合适的光源波长，这意味着对于某些气体，可能没有合适的激光器或光源可用。相比之下，红外光谱（IR）技术可以覆盖更宽的波长范围，适用于更多种类的气体。多组分检测：虽然PAS技术可以实现多组分检测，但同时检测多种气体时，可能会出现交叉干扰，需要复杂的信号处理技术来区分不同的气体成分。相比之下，气相色谱（GC）通过分离技术可以更有效地解决多组分检测问题。
5.动态范围有限：PAS技术在高浓度气体检测时可能会遇到饱和问题，导致检测结果不准确。对于高浓度和低浓度气体的检测，可能需要不同的系统配置。相比之下，一些其他技术如质谱（MS）具有更宽的动态范围。
6.应时间：虽然PAS技术可以实现快速检测，但在某些情况下，响应时间可能仍然不够快，特别是在需要极高时间分辨率的应用中。相比之下，一些其他技术如红外光谱（IR）可能在响应时间上更有优势。
7. 样品量要求：PAS技术通常需要一定的样品量才能产生足够的声信号，对于微量样品的检测可能不够灵敏。相比之下，一些其他技术如质谱（MS）可以在极少量的样品中进行检测。
8. 适用性特定气体：PAS技术对某些类型的气体可能不适用，特别是那些在可见光或近红外区域没有强吸收峰的气体。相比之下，一些其他技术如气相色谱（GC）和质谱（MS）可以检测更广泛的气体种类。
9. 便携性便携性限制：虽然PAS系统可以设计成便携式，但高性能的系统通常体积较大，不适合所有现场应用。相比之下，一些其他技术如便携式红外光谱（IR）仪器可能在便携性上更有优势。
总结尽管PAS技术在灵敏度、选择性和实时检测方面具有显著优势，但其高成本、技术复杂性、环境依赖性、检测范围限制等问题也需要在实际应用中予以考虑。选择合适的检测技术应综合考虑具体的应用需求、预算和技术可行性。在某些情况下，其他检测技术如红外光谱（IR）、质谱（MS）或气相色谱（GC）可能更为合适。
