CN117760974A - 一种光声光谱声学传感器及痕量气体检测装置 - Google Patents

Abstract

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，传感器包括：微纳光纤环形结谐振腔和石英音叉；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；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；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；微纳光纤环形结置于石英音叉的两个振臂内侧；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。本发明提高了光声光谱声学传感器的检测精度。

Description

一种光声光谱声学传感器及痕量气体检测装置

技术领域

本发明属于石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacousticspectroscopy，QEPAS)技术领域，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

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。

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。

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：

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。

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。

发明内容

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。

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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；

所述微纳环光纤环形结附近的气体为待测痕量气体。

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。

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；

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；

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；

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。

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：

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。

附图说明

图1为现有倏逝波型光声光谱气体传感器的架构图；

图2(a)为本发明实施例提供的微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器主视图；

图2(b)为本发明实施例提供的微纳光纤环形结谐振腔实物图；

图2(c)为本发明实施例制作微纳光纤环形结谐振腔提供的微纳光纤结构图；

图3为本发明的实施例提供的微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器立体模型图；

图4(a)为本发明实施例提供的环形光纤环形结谐振腔COMSOL软件模拟在输入激光波数为7181.156cm^-1下的场分布图；

图4(b)为本发明实施例提供的环形光纤环形结谐振腔COMSOL软件模拟的透射光谱图；

图5为本发明实施例提供的痕量气体检测装置的结构框图；

图6为本发明实施例提供的光声信号调制深度优化图；

图7为本发明实施例提供的微纳光纤倏逝波和微纳光纤环形结谐振腔配置下的二次谐波光声信号图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为计算机设备，2为函数发生器；3为加法器；4为激光驱动器；5为激光器；6为出光尾纤；8为前置放大器；9为锁相放大器；10为光声光谱声学传感器；11为前单模光纤；12为微纳光纤环形结；13为后单模光纤；14为钳形定制石英音叉；101为半导体激光源、102为光纤合束器、103为锥形光纤(微纳光纤)、104为石英音叉、105为相位调制器。

具体实施方式

为方便理解，下面先对本发明实施例所涉及的英文简写和有关技术术语进行解释和描述。

本文中的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一单模光纤和第二单模光纤等是用于区别不同的单模光纤，而不是用于描述单模光纤的特定顺序。

下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。

需要说明的是，自2002年QEPAS技术问世以来，大多数常规的QEPAS系统通常采用一个常用作计时设备中作时钟信号源的谐振频率为32.768kHz标准的商用石英音叉晶振作为声学传感器。为了获得更高的信号增益并且减少激光直接照射到石英音叉上引起的背景噪声，世界各地逐步开展诸多关于兼具高Q和低谐振频率的定制QTF的研究。意大利巴里理工大学Spagnolo等人在2013年研究了一款定制QTF，其共振频率降低到2.8kHz。2016年，哈尔滨工业大学马欲飞团队采用了一个30.72kHz的QTF来增强信号，展示了一种QTF具有T形纵向截面和槽形尖头表面几何特征的定制QTF。2020年，暨南大学郑华丹等人展示了28kHz镀金线的定制QTF。在最新的关于定制音叉研究中，郑华丹团队研究并发明一款基于市售标准QTF上创新设计定制的钳型QTF，其音叉力臂间隙孔径接近1毫米，Q值超过10⁴，是以极低制作成本和简单工艺方式下制造定制音叉的标志性产物。

针对现有微纳光纤倏逝波QEPAS技术的缺陷，本发明的目的旨在提供一种光声光谱声学传感器及痕量气体检测装置，解决目前尚未有微纳光纤环形结谐振腔被应用于石英增强光声光谱技术，导致微纳光纤倏逝波QEPAS技术无法进行更高精度的痕量气体检测的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器，从上到下依次包括：微纳光纤环形结谐振腔、钳形定制石英音叉；

所述微纳光纤环形结谐振腔包括：前单模光纤、微纳光纤环形结、后单模光纤，前单模光纤、微纳光纤环形结与后单模光纤属于同一根单模光纤的不同分段；且沿光束传播方向依次放置；所述前单模光纤需要与半导体激光器出光尾纤熔融相连；

进一步，所述微纳光纤环形结需将的单模光纤通过熔融拉锥法制备成熔融部位直径满足亚波长条件；

进一步，将微纳光纤某一端拉锥区连接处截断，利用锥形光纤探针调整该断处使其搭接在另一自由端，微纳光纤因范德华力和静电力自然交叠成环进而牵引断处打结，制备成微纳光纤环形结；

所述钳形定制石英音叉包括：包括音叉基底及振臂，所述音叉基底的两侧顶部向上延伸分别设置所述振臂，相邻所述振臂之间开设有第一空隙，所述振臂的内侧开设有圆弧缺口，一对所述圆弧缺口及部分所述第一空隙组合形成圆形空隙；

进一步，所述钳形定制石英音叉的厚度尺寸可以为0.33mm；

进一步，圆形空隙的直径可以～1mm，其圆心到振臂顶端距离ΔX可以为0.7mm，以保证取得最佳激发效果；

进一步，所述钳形定制石英音叉材料需包含石英和镀银电极；

进一步，所制备钳形定制石英音叉谐振频率可以为几十kHz，Q值可以保持在10⁴。

第二方面，本发明提供了一种包含上述第一方面提供的光声光谱声学传感器在内的痕量气体检测装置，所述微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器被置于待测气体中，所述微纳光纤环形结谐振腔需被置于钳形定制石英音叉的圆形空隙中。痕量气体检测装置还包括：激光器、激光驱动器、前置放大器、函数发生器、信号解调装置和数据处理及显示设备；

所述激光器，用于发射相应波长的激光，其出光尾纤与微纳光纤环形结谐振腔相连；

所述激光驱动器，用于调谐激光器温度和电流来改变激光器输出波长。

所述微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器，其微纳光纤环形谐振腔用于传输激光并产生及放大激发光的倏逝场。其钳形定制石英音叉用于收集压电效应产生的电信号；其中，所述电信号的产生过程为：首先所述倏逝场激发待测气体产生声波，之后所述声波推动钳形定制石英音叉振动形成对应的电信号；待测气体的浓度不同，对应的声波强度不同，电信号也有所不同；

所述前置放大器，用于对光声光谱测声器收集的电信号进行初步的跨阻抗放大；

所述信号解调器，在一个可能的实施例中，一般为锁相放大器，用于对前置放大器输出的电信号解调，求解得到待测气体的浓度信息；并将该模拟电信号转换成数字信号输出到电脑；

所述数据处理及显示设备，一般为带数据采集卡的电脑，用于对收集的信号数据进行处理和信号波形显示。

在一个可能的实施例中，所述激光器的发射中心波长对应待测气体的目标吸收线。

在一个具体的实施例中，本发明涉及一种微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器，包括：一个环直径D可以为593.62μm、微纳光纤直径d可以为1.29μm的微纳光纤环形结谐振腔以及一个内置圆形空隙孔径可以为975.28μm的钳形定制石英音叉；在钳形定制石英音叉圆形空隙之处内嵌入微纳光纤环形结谐振腔，使得微纳光纤环形结谐振腔悬空平行于钳形定制石英音叉。还涉及一种痕量气体检测装置，包括上述的微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器。对于本发明的微纳光纤环形结谐振腔，其谐振干涉条件与所用激光波长匹配，可以对微纳光纤倏逝场光功率进行谐振放大；对于本发明的钳形定制石英音叉，其圆形空隙不仅可以容纳微纳器件，还进一步增加气体激发光程。本发明可以应用在微纳光纤倏逝波石英增强光声光谱气体探测技术中，提高信噪比，增强光声信号。

具体地，本发明的技术方案为一种微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器，其包括：一个微纳光纤环形结谐振腔，所述谐振腔由前端单模光纤、微纳光纤环形结和后单模光纤组成，微纳光纤环形谐振腔被悬空平行放置在钳形定制石英音叉的圆形间隙中。

参照图2(a)，在该实施例中，根据本发明的微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器10包括：前单模光纤11，一个微纳光纤环形结12，后单模光纤13，钳形定制石英音叉14。参照图2(b)和图2(c)，本发明采用的微纳光纤环形结谐振腔12的环直径可以为593.62μm，微纳光纤12直径可以为1.29μm，自由光谱宽度FSR可以为0.74nm，腔的Q值可以为51575。本发明采用的钳形定制石英音叉14为基于标准尺寸下通过激光打标加工的而成的定制石英音叉，钳形定制石英音叉14的圆形空隙直径可以为975.28μm；钳形定制石英音叉14的圆形空隙的圆形距离振臂顶端的距离可以为0.699μm；钳形定制石英音叉14振臂的宽度、厚度和间隙分别可以为600μm，330μm和300μm，在该尺寸下，钳形定制石英音叉14的谐振频率为35765.6Hz，Q值为10360。

参照图3，在该实施例中，限定微纳光纤环形结12、钳形定制石英音叉14具有相同的中心轴线，微纳光纤环形结被悬空平行放置在钳形定制石英音叉的圆形间隙中。

在进一步的实施例中，微纳光纤环形结谐振腔的尺寸需要按谐振干涉条件设计可以通过以下方式计算得到。应理解，本发明不是通过有限次实验而简单获得，而是需要创造性的劳动计算而得到，其理由和过程也是通过以下的计算方式和仿真来说明。

首先，在理论上，微纳光纤环形结谐振腔12可以类比成定向环形耦合器，利用光波导的原理可以作为本发明理论的依据，当光从微纳光纤一端输入时，由于微纳光纤的亚波长直径，在结区，光将会被分成两部分，一部分继续沿着光纤另一端出射，一部分以倏逝场的形式耦合进微纳光纤环中传输，在微纳光纤环往返传输的光在结区与入射光满足相干干涉的条件，于是环形区内的倏逝场将被增强，耦合系数越大，谐振干涉效果越好。同时，谐振峰所在波长需与激光器所在波长匹配，为此，其光程差需满足激发光所在波长的谐振干涉条件，才能形成微纳光纤环形结谐振腔，增强探测灵敏度。

基于此，可得本发明实施例在7181.156cm^-1波长下的微纳光纤结谐振腔的场分布其条件如参照图4(a)所示，光功率相较于输入光有明显的增强。进一步，微纳光纤环形结环的直径需要按需求做出调整，其光程差需满足激发光所在波长的谐振干涉条件，才能形成微纳光纤环形结谐振腔，增强探测灵敏度，其条件如下式所示：

式中n_eff为微纳光纤环形结的有效折射率，D为结环直径，λ_m为第m阶谐振下对应的波长。

可以理解的是，上述公式(2)是将微纳光纤环形结作为圆形结的理想状况下推论的；但是实际操作时，由于微纳光纤材质较软且细，因此无法固定其形状，当其为圆形时，可以按照公式(2)匹配，当其不是严格的圆形时，需要通过具体实验仿真调整参数，以达到最优匹配。此处匹配指的是激发的光声信号最强。

进一步，当微纳光纤环形结满足谐振条件，该微纳光纤环形结谐振腔的透射率T由下式表示：

式中E₂和E₁分别为输出和输入光强。α表示耦合进微纳光纤环形结的光往返环形结一次后剩余的光强。t表示光通过耦合交叠区的透射系数。鉴于此，可以推导出所提出的微纳光纤环形谐振腔在不同输入波长上的透射谱。鉴于此，参照图4(b)，推导出本发明的微纳光纤环形谐振腔在不同输入光波长下的透射光谱。

图5为采用本发明实施例的痕量气体检测装置结构图。该气体探测装置的具体连接结构如下，函数发生器2；与所述函数发生器2的调制信号输出端连接的加法器3；与所述加法器3的信号输出端连接的激光驱动器4；由所述激光驱动器4驱动的激光器5，所述激光器5发出1.392μm波长的激光；所述激光器5的出光尾纤6连接包含微纳光纤环形结12的微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器10；所述钳形定制石英音叉14连接的前置放大器8；与所述前置放大器8的输出端连接的锁相放大器9，所述锁相放大器9与所述函数发生器2的同步信号输出端连接。具有数据采集卡的计算机设备1，所述数据采集卡分别与所述锁相放大器9的输出端及所述函数发生器2的输入端连接。

函数发生器2的一个调制频率为石英音叉共振频率的一半的正弦波送到激光器驱动4上，激光器驱动4可以控制激光器5的注入电流和温度。激光器5的发射中心波长对应待测气体的目标吸收线。激光器5发出的光经过出光尾纤6与前单模光纤11连接后进入微纳光纤环形结谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器10。如图2所示，由环形微纳光纤结谐振腔12激发的倏逝波激发待测气体产生声波，声波推动音叉振动进而产生电信号并输出到前置放大器8，然后送入到锁相放大器9进行解调。锁相放大器9解调的参考信号来自函数发生器2的同步端口。经过锁相放大器解调的信号送入带有数据采集卡的计算机设备1，以采集并记录数据。此外，还可以实时在线的将所测的待测气体浓度并显示在移动计算机上，具有高精度、便携性强、在线监测的功能。

因此，对痕量气体进行检测时，先选定与光源的中心波长接近的目标气体吸收线。通过控制激光驱动器4的驱动电流，使激光器5的波长扫过目标吸收线。具体的是采用二次谐波调波长制技术，激光器5的电流被函数发生器1发生的f/2信号频率调制，其中f为所用钳形定制石英音叉的谐振频率。待测气体被激光激发后，退激发产生的声波信号被QTF采集并将其转化为相应的电信号。电信号依次经过前置放大器8、锁相放大器9，然后通过数据采集卡进入计算机设备的系统。数据经过软件计算后，最终将气体浓度信息显示在屏幕上。对未知浓度的气体进行测量时，应事先通过已知浓度的标准气进行定标，标定后的装置就能对该种气体进行测量。

在一个实施例中，根据本发明的气体探测方法，包括以下步骤：

A、触发激光器在谐振腔中产生光路，以钳形定制石英音叉的固有频率调制激光器的工作电流，使激光器的输出光的波长扫过目标气体吸收线，然后调制激光器的工作电流，直至钳形定制石英音叉的输出光声电信号达到预定幅值；

B、在光声光谱测声器中的目标气体被激光激发时，采集钳形定制石英音叉输出的电信号，经过前置放大器和锁相放大器的信号处理并储存为光声信号；

C、根据预先标定的光声信号计数值与目标气体浓度的线性关系，计算当前的光声信号计数值所对应的目标气体浓度值。

在更具体的实施例中，基于本发明的痕量气体检测装置的工作方式如下。

首先采用1.392μm的近红外光纤耦合分布式反馈半导体激光器5用作为激励源。然后使用高精度的半导体激光器驱动板4用来控制半导体激光器5的温度和注入电流。二次谐波波长调制技术被用来提高QEPAS的探测灵敏度。用信号发生器产生周期为600s，幅值为120mVvpp的三角波和频率为f₀/2的正弦波(f₀为钳形定制石英音叉的谐振频率)。二次谐波波长调制技术被用来减小由于杂散光的背景噪声和其他气体吸收线串扰的影响。倏逝场在一个处于平行内嵌于钳形定制石英音叉的圆形间隙的微纳光纤环形结谐振腔12定点激发。钳形定制石英音叉输出的电信号被一个10MΩ的定制跨阻抗前置放大器8进行放大。锁相放大器9被用来解调二次谐波信号。通过计算机设备上的Labview程序对痕量气体检测装置整体系统进行控制和计算气体的浓度。

在一个验证实例中，本发明的微纳光纤环形谐振腔结合钳形定制石英音叉的光声光谱声学传感器和一个同直径下的微纳光纤搭建的系统的来比较探测性能。性能比较以测量空气中的水分子的浓度来进行评估，根据Hitran数据库，选定位于7181.156cm^-1，吸收线强为1.492×10^-20cm/mol的水分子吸收线。其次，激光器的温度被设置在32℃，中心电流为87.6mA，注入电流从81.6mA变化到93mA，对应波数范围从7180.134cm^-1变化到7182.176cm^-1。

参照图6，为将本发明微纳光纤环形谐振腔结合钳形定制石英音叉的声学传感器配置下的QEPAS系统性能最优化，在该实施例中，对激光调制深度进行了优化，找到了性能最优的最佳参数，调整激光器注入电流从5mA逐增至40mA，其分别对应从0.7cm^-1至6.3cm^-1，实验结果最终确认最佳调制深度为5.41cm^-1处，其对应的光声信号峰值为2.09×10^-4V。

参照图7，传统的微纳光纤配置下的二次谐波信号的峰值为7.39×10^-6V，本发明配置下的二次谐波信号的峰值为2.09×10^-4V。传统的微纳光纤配置是将微纳光纤直接穿过音叉，不是倏逝波循环耦合的物理概念，没有干涉增强效应。此外，调节激光器的电流使激光波长远离水分子吸收线，持续一段时间，此时信号幅值的抖动即为系统的噪声，实验测得传统的微纳光纤配置1σ噪声为0.56μV，本发明配置下的1σ噪声1.77μV，分别对应的信噪比(SNR)为13.2和118.02，由此可见，信号探测精度(探测信噪比)提高了接近一个数量级。

应当理解的是，可以在本发明中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本发明中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。

此外，在本发明中，表述“和/或”包括关联列出的词语中的任意和所有组合。例如，表述“A和/或B”可以包括A，可以包括B，或者可以包括A和B这二者。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。其中，“固定连接”是指彼此连接且连接后的相对位置关系不变。“转动连接”是指彼此连接且连接后能够相对转动。“滑动连接”是指彼此连接且连接后能够相对滑动。本发明实施例中所提到的方位用语，例如，“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本发明实施例，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

另外，在本发明实施例中，提到的数学概念，对称、相等、平行、垂直等。这些限定，均是针对当前工艺水平而言的，而不是数学意义上绝对严格的定义，允许存在少量偏差，近似于对称、近似于相等、近似于平行、近似于垂直等均可以。例如，A与B平行，是指A与B之间平行或者近似于平行，A与B之间的夹角在0度至10度之间均可。A与B垂直，是指A与B之间垂直或者近似于垂直，A与B之间的夹角在80度至100度之间均可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种光声光谱声学传感器，其特征在于，包括：微纳光纤环形结谐振腔和石英音叉；

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；

所述微纳光纤环形结置于所述石英音叉的两个振臂内侧；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。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，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。

6.根据权利要求1至5任一项所述的传感器，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，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。

8.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，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。

9.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，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。

10.一种痕量气体检测装置，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的光声光谱声学传感器；

所述微纳环光纤环形结附近的气体为待测痕量气体。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括：激光器和信号解调器；

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；

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；

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。