基于低功率分布反馈激光器和数字锁相技术的高灵敏光声气体传感器

摘要

光声信号强度与光功率成正比,然而,高功率激光光源存在功耗高、驱动控制电路复杂、低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点,此类光源多集中在>6μm波段,难以实现对基频吸收带位于2～6μm波段的分子进行有效探测.而且,基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大,不能满足多点连续移动监测工作的需要.利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法,在3～4μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量.使用的ICL靶向乙烷(C2 H6)基频吸收带的强吸收线2996.88 cm-1.通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法,结合波长调制光谱技术,实现了高灵敏检测,同时,有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程.首先,结合系统原理结构,顺次介绍了设计方案以及光、电等模块的设计细节.分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况,以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响,最终确定系统工作气压为200 Torr.然后,通过对100～1000 nmol·mol-1共6种浓度C2 H6进行单周期光谱扫描测试分析,推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1.对上述各浓度样品分别进行～10 min二次谐波(2f)信号峰值提取测试,系统线性性能良好,相关度为0.99965,同时,明确了气体浓度与2f信号峰值的对应关系.最后,通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为～0.347 V,由此估算信噪比和系统灵敏度分别为～28.56和～40 nmol·mol-1.介绍的新型中红外C2 H6传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量,而且,使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积,弥补了使用商用仪器占用体积大的不足,为将来实现小型化、移动式测量的目标奠定了一定基础.此外,对于功率消耗无限制的其他应用,可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度,并应用于更多场景.