石英增强光声光谱（QEPAS）凭借其高测量精度和低检测限，在温室气体监测和污染物检测等领域拥有广阔的应用前景。通常情况下，可通过将裸石英音叉（QTF）与声学微谐振器（AmR）组合形成光谱测声器（spectrophone），从而实现高灵敏度痕量气体传感器。
据麦姆斯咨询报道，近日，山西大学的研究团队提出了一种无需激光束穿过石英音叉（QTF）的两叉臂即可获得高光声信号增益的QEPAS传感器。该QEPAS传感器中的离束型光谱测声器由AmR与定制QTF组成。其中AmR由一根中心有狭缝的不锈钢管构成，使得定制QTF能够有效响应纵向声压的波腹。谐振频率为7.2 kHz的定制QTF被用作声学响应元件。通过监测水蒸气（H₂O）浓度可进一步优化离束型光谱测声器的AmR参数。这项研究以“Off-Beam Acoustic Micro-Resonator for QEPAS Sensor with a Custom Quartz Tuning Fork”为题发表在Atmosphere期刊上。
这项研究采用中心波长为1392.5 nm的近红外分布式反馈激光器（DFB）作为激发光源，激光器采用14引脚蝶形光纤耦合TEC封装。通过比较不同目标气体（常压下N₂与2.5%水蒸气的混合物）的光声信号进行优化实验。为了计算该器件的灵敏度，后续实验使用7007 ppm的水蒸气作为目标气体。图1展示了基于HITRAN数据库的氧气（O₂）、二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和水蒸气的吸收光谱线。图2为集成离束型光谱测声器的QEPAS传感器的原理示意图。
图1 基于HITRAN数据库的氧气、二氧化碳、甲烷和水蒸气的吸收光谱线
图2 集成离束型光谱测声器的QEPAS传感器的原理示意图
典型的离束型光谱测声器是通过将单个不锈钢管作为AmR耦合到定制QTF而构建的。采用尺寸为10 mm x 0.9 mm x 0.25 mm的定制QTF作为离束型光谱测声器的声探测元件，并根据电激励法测定其电子参数。图3为定制QTF的频率响应曲线。图4为离束型光谱测声器的架构。
图3 定制QTF的频率响应曲线
图4 （a）AmR构造；（b）离束型架构的俯视图；（c）AmR与定制QTF之间的离束型架构
综上所述，这项研究利用谐振频率为7.2 kHz的定制QTF与离束型AmR的集成开发出了一种QEPAS传感器。通过实验研究了离束型光谱测声器中AmR的最佳参数，以获得极高的信噪比增益。实验结果表明，光声信号主要受AmR长度和内径的影响。最优AmR的内径和长度分别设置为0.9 mm和42.5 mm时，信噪比增益系数达到16，显著高于裸定制QTF。值得注意的是，激发光源无需穿过定制QTF的两叉臂即可实现灵敏度的提升。这种离束型架构使QEPAS技术能够更好地与光束质量较差或波长较长且无法有效聚焦的新型光源（如LED和太赫兹光源）集成，从而显著提高检测灵敏度。研究团队未来计划使用太赫兹光源作为定制QTF的激发光源，有望进一步扩大离束型QEPAS的应用范围，以开发适用于各种痕量气体的高灵敏度传感器。
论文链接：
https://doi.org/10.3390/atmos16030352
