張楚,潘浩,尹翔宇,王巧云*

(1 東北大學信息科學與工程學院,遼寧 沈陽 110819;2 微納精密光學傳感與檢測技術河北省重點實驗室,河北 秦皇島 066400)

0 引言

光聲光譜技術是利用光聲效應的一種光譜技術,是分子光譜學的一個重要分支。由于其具有檢測靈敏度高、可選擇性強、可實現(xiàn)實時在線監(jiān)測等優(yōu)點,在大氣環(huán)境監(jiān)測[1-3]、氣體泄漏檢測[4-8]、醫(yī)學臨床診斷[9-11]等領域得到了廣泛應用。

近年來,激光技術不斷發(fā)展,光聲光譜技術也隨之得到高速發(fā)展。作為光聲效應的產生載體,光聲池的設計是影響光聲光譜系統(tǒng)性能指標的重要因素,因此設計合理的光聲池結構對于提高光聲信號的大小和光聲檢測的信噪比尤為重要。2012 年,Cao 等[12]將QEPAS 技術應用于C2H2氣體檢測中,得到2×10-6的檢測靈敏度;2014 年,Bauer 等[13]結合3D 打印技術制作了微型光聲池,在小功率DFB 激光二極管的激勵下,獲得2.5×10-7的C2H2氣體檢測靈敏度;2016 年,Liu 等[14]用T 型光聲池對CO2等氣體實現(xiàn)了低共振頻率檢測;2018 年Gong[15]提出了一種半開腔式一階縱向共振光聲池結構,對C2H2氣體檢測的靈敏度下限達到8.1×10-7。

本文對圓柱形光聲池諧振腔部分進行優(yōu)化改進,提出一種新型橢球形共振光聲池,并對其進行設計加工。通過COMSOL 有限元分析軟件仿真橢球形光聲池的聲學特性,對光聲池共振頻率、內部聲壓分布等參數(shù)進行了探討分析。在仿真分析的基礎上,搭建出橢球形光聲池光聲光譜氣體檢測系統(tǒng),對光聲池共振頻率進行標定,并在此基礎上進一步實驗得到光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的信噪比和檢測靈敏度。

1 仿真部分

圓柱形是目前市面上最常見、使用最多的光聲池結構,而橢球形光聲池是在圓柱形結構的基礎上作的優(yōu)化改進,其諧振腔呈橢球形分布。為了更好地模擬橢球形光聲池,采用的是COMSOL 軟件,它是一款設計和優(yōu)化實際工程問題的多物理場仿真軟件。圖1(a)是利用COMSOL 仿真軟件建立的橢球形光聲池模型,模型全長200 mm,諧振腔半徑5 mm,長100 mm,與緩沖池連接處半徑3 mm,兩側緩沖池的長度均為50 mm,緩沖池的半徑為12.5 mm;圖1(b)是對模型進行三角形網格劃分之后的效果圖,其中網格劃分最大單元8 mm,最小單元0.5 mm。

圖1 橢球形光聲池(a)模型及(b)網格劃分效果圖Fig.1 (a)The model and(b)grid division effect diagram of ellipsoidal photoacoustic cell

經過COMSOL 軟件劃分網格后,計算得到橢球形共振光聲池頻率響應曲線如圖2(a)所示,可見在500～2500 Hz 的頻率變化范圍內,橢球形光聲池頻率響應曲線呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,最大值出現(xiàn)在1350 Hz 處,即橢球形光聲池的共振頻率為1350 Hz。將橢球形光聲池激光入射頻率調制到1350 Hz 來模擬光聲池共振模式,模擬計算出光聲池內聲壓分布情況如圖2(b)所示,可見橢球形共振光聲池的聲壓在光聲池的幾何中心位置最大,最大聲壓可達到2.3×10-5Pa。根據(jù)仿真結果,相比于圓柱形光聲池理論上1650 Hz 的共振頻率,橢球形光聲池在理論上具有更小的共振頻率。

圖2 橢球形光聲池(a)頻率響應曲線及(b)聲壓分布Fig.2 (a)Frequency response curve and(b)the acoustic pressure distribution of ellipsoidal photoacoustic cell

2 實 驗

2.1 吸收線選擇

在標準大氣壓、室溫296 K 的條件下,通過HITRAN 分子光譜數(shù)據(jù)庫查閱在1526～1538 nm 波長范圍內C2H2和純N2的吸收光譜數(shù)據(jù),計算出5×10-8C2H2和純N2在1526～1538 nm 范圍內的吸收系數(shù)譜線,其結果如圖3 所示。根據(jù)譜線的選取原則,選擇波長1532.83 nm 的吸收譜線作為C2H2氣體的測量譜線;選擇中心波長1531.5 nm、可調諧范圍2 nm、最大輸出功率20 mW 的可調諧分布反饋式半導體激光器(TL-DFB-B-A82-W1531.5-SA)作為激光光源。

2.2 實驗裝置

基于橢球形共振光聲池搭建的光聲光譜C2H2痕量氣體檢測系統(tǒng)結構示意圖如圖4 所示,主要包括氣體混合系統(tǒng)、光源、橢球形共振光聲池、聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分。氣體混合系統(tǒng)主要由質量流量計和流量顯示儀組成,通過改變流量顯示儀的控制旋鈕來控制質量流量計對C2H2標準氣進行濃度配比和流速控制,從而將一定濃度的C2H2氣體從進氣口通入光聲池。DFB 半導體激光器作為光聲信號的激發(fā)光源,設置激光器的波長調制頻率為橢球形共振光聲池共振頻率的一半,通過改變激光器激勵電流的大小,達到控制激光器輸出波長的目的,使激光器工作在1532.83 nm,將經過準直器準直后的入射激光射入光聲池內部。F-P 光纖聲波傳感器作為聲波探測裝置來檢測光聲池內部產生的聲信號,經過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將聲信號放大解調處理后獲取光聲信號的強度。

圖4 光聲光譜檢測系統(tǒng)結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the photoacoustic spectroscopy detection system

3 實驗結果與討論

3.1 共振頻率標定和線性擬合

共振頻率是評價光聲池性能指標的關鍵性因素,因此光聲池共振頻率的標定是光聲光譜檢測系統(tǒng)一個必不可少的環(huán)節(jié)。緩慢低速通入5×10-10C2H2標準氣來對橢球形光聲池共振頻率進行標定,使激光器調制頻率從650 Hz 逐漸變化到710 Hz,記錄檢測到的二次諧波(2f)信號幅值大小,得到橢球形光聲池2f信號峰值和調制頻率的關系如圖5 所示。由圖5 可知,隨著調制頻率的增加,2f信號峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,當調制頻率為682 Hz 時,可以看到此時2f信號最大,因此所設計橢球形光聲池的共振頻率為1364 Hz,與仿真理論計算值1350 Hz 較為接近,后期分析存在小幅度差異的主要原因可能是橢球形光聲池加工難度大,采用分段加工工藝而造成了一定誤差。圖5 中頻率響應曲線的半寬度Δf=15 Hz,根據(jù)公式Q=f/Δf,得到橢球形光聲池的實際品質因數(shù)為45.5。

由圖5 可得,激光器的正弦調制頻率應設置在682 Hz,鎖相積分時間1000 ms。利用橢球形光聲池對不同濃度下的C2H2氣體進行檢測,得到光聲信號二次諧波結果如圖6 所示。由圖6 可以看出隨著C2H2氣體濃度逐漸增大,2f信號峰值也呈現(xiàn)出升高的趨勢。同時可知,不同濃度下光聲信號幅值與C2H2氣體濃度之間呈良好的線性變化,橢球形光聲池線性系數(shù)達到0.99942,線性度很好。因此,通過圖6 的線性變化可以建立光聲光譜系統(tǒng)濃度和光聲信號的函數(shù)關系。

圖5 橢球形光聲池2 f 信號與調制頻率之間的關系Fig.5 Relation between 2 f signal and modulation frequency of the ellipsoidal photoacoustic cell

圖6 橢球形光聲池C2H2 濃度與2f 信號之間的關系Fig.6 Relation between C2H2 concentration and 2f signal of the ellipsoidal photoacoustic cell

3.2 信噪比和檢測靈敏度

利用5×10-8的C2H2樣本評估系統(tǒng)的檢測靈敏度,所測得二次諧波下的光聲信號如圖7 所示。圖7 中二次諧波的峰值為1.62 μV,系統(tǒng)的本底噪聲經過估算標準差為0.0476,因此采用橢球形光聲池的光聲光譜系統(tǒng)的信噪比為34,同時可以確定在常溫常壓下,光聲光譜檢測系統(tǒng)的極限靈敏度為1.47×10-9。表1 將橢球形光聲池與其他已發(fā)表的使用一階縱向共振光聲池的系統(tǒng)實驗結果進行了對比。

圖7 橢球形光聲池5×10-8 C2H2 氣體光聲信號Fig.7 5×10-8 C2H2 gas photoacoustic signal of the ellipsoidal photoacoustic cell

表1 與其他已發(fā)表的相應系統(tǒng)參數(shù)的對比Table 1 Comparison with other reported corresponding system parameters

4 結論

在圓柱形光聲池的基礎上提出了一種新型橢球形共振光聲池,利用COMSOL 有限元分析軟件對橢球形光聲池共振頻率、內部聲壓分布等參數(shù)進行仿真。采用橢球形光聲池搭建了光聲光譜檢測系統(tǒng),對橢球形光聲池進行了一系列實驗分析,標定出橢球光聲池的實際共振頻率為1364 Hz,同時計算出橢球形光聲池品質因數(shù)為45.5,得到光聲光譜系統(tǒng)濃度和光聲信號變化的函數(shù)關系圖,然后通過光聲信號和噪聲分析,得到橢球形光聲池的光聲光譜檢測系統(tǒng)信噪比為34,檢測極限靈敏度為1.47×10-9。實驗結果充分證明了所設計的橢球形共振光聲池對光聲光譜檢測系統(tǒng)靈敏度有一定的提高。