【摘要】：石英增強(qiáng)光聲光譜(QEPAS)由美國萊斯大學(xué)Frank Tittel教授小組于2002年提出。QEPAS技術(shù)采用低成本的商用音叉式石英晶振(簡(jiǎn)稱音叉)代替?zhèn)鹘y(tǒng)光聲光譜中的麥克風(fēng)來探測(cè)光聲效應(yīng)產(chǎn)生的微弱聲波。QEPAS傳感器以其高探測(cè)靈敏度、很強(qiáng)的噪聲免疫能力、緊湊的光聲探測(cè)模塊以及低成本等特點(diǎn)被廣泛用于航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域的痕量氣體檢測(cè)。本文以QEPAS作為研究對(duì)象,開展的主要工作是新型QEPAS技術(shù)研究,通過對(duì)新型QEPAS光譜測(cè)聲器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,提高聲學(xué)諧振腔與音叉之間的聲波耦合效率,增強(qiáng)QEPAS信號(hào),抑制背景噪聲,從而提高探測(cè)信噪比。主要內(nèi)容如下:1、介紹了光聲光譜的發(fā)展歷史,光聲效應(yīng)的基本理論,以及光聲光譜系統(tǒng)中光源、光聲池、探測(cè)的選擇性、探測(cè)極限等。2、介紹了石英增強(qiáng)光聲光譜(QEPAS)的基本理論。包括了音叉式石英晶振幾何結(jié)構(gòu)、等效電學(xué)模型,以及其共振頻率和品質(zhì)因子等,介紹了音叉式石英晶振在傳感器方面的應(yīng)用,以及幾種傳統(tǒng)的QEPAS光譜測(cè)聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3、開展了針對(duì)傳統(tǒng)QEPAS系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),研究了音叉的幾何結(jié)構(gòu)、光束的作用位置以及外部污染物對(duì)QEPAS的影響。發(fā)展了兩種增強(qiáng)QEPAS信號(hào)的光譜測(cè)聲器配置:雙光程增強(qiáng)型QEPAS和雙音叉共軸增強(qiáng)型QEPAS。4、針對(duì)QEPAS系統(tǒng)中激發(fā)光源光束質(zhì)量較差時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)背景噪聲的問題,提出了兩種噪聲抑制方法:散射光調(diào)制相消法和電學(xué)調(diào)制相消法。5、發(fā)展了基于定制大音叉的QEPAS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),從根本上解決了光束質(zhì)量較差的光源不能適用于QEPAS技術(shù)的問題,并且提出了全新的諧振腔配置即單管共軸QEPAS(SO-QEPAS)光譜測(cè)聲器配置。將音叉式石英晶振的一次泛頻振動(dòng)模式應(yīng)用到QEPAS技術(shù)中,發(fā)展了泛頻共振增強(qiáng)的SO-QEPAS光譜測(cè)聲器。本文的創(chuàng)新之處:1.比較了國內(nèi)外數(shù)十種廠家生產(chǎn)的音叉式石英晶振,從幾何結(jié)構(gòu)、共振頻率、品質(zhì)因子、以及QEPAS信號(hào)幅度等方面,對(duì)不同廠家生產(chǎn)的音叉在光聲光譜中的性能進(jìn)行了對(duì)比。研究了光束的作用位置以及外部污染物對(duì)QEPAS信號(hào)的影響。確定了音叉式石英晶振對(duì)光束最敏感的部位為距離音叉開口處0.6-0.7 mm處。2.基于傳統(tǒng)QEPAS技術(shù),發(fā)展了兩種光聲信號(hào)增強(qiáng)方法。在共軸QEPAS光譜測(cè)聲器配置的基礎(chǔ)上,提出了雙光程增強(qiáng)的QEPAS光譜測(cè)聲器配置,使用凹面反射鏡制造光學(xué)回路,將探測(cè)靈敏度提高了2~3倍。在雙音叉QEPAS光譜測(cè)聲器配置的基礎(chǔ)上,提出了雙音叉共軸的兩種配置方式,相比于傳統(tǒng)的單音叉共軸QEPAS光譜測(cè)聲器,能夠?qū)⑻綔y(cè)靈敏度提高約1.5倍。3.針對(duì)QEPAS系統(tǒng)使用激發(fā)光束質(zhì)量較差的光源時(shí),激發(fā)光無法準(zhǔn)直通過音叉振臂間隙而產(chǎn)生劇烈背景噪聲的問題,提出了兩種噪聲抑制方法:散射光調(diào)制相消法(SL-MOCAM)和電學(xué)調(diào)制相消法(E-MOCAM)。SL-MOCAM簡(jiǎn)化了光路,不需要進(jìn)行合束準(zhǔn)直,能有效將背景噪聲抑制90%以上。E-MOCAM直接使用電學(xué)調(diào)制信號(hào)取代SL-MOCAM中的平衡光,省去了平衡光源,進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng),該方法可以將背景噪聲抑制3個(gè)數(shù)量級(jí)。4.發(fā)展了基于定制大音叉的QEPAS技術(shù),定制音叉的大振臂間隙(700μm)從源頭解決了激發(fā)光光束質(zhì)量較差引起的噪聲問題。針對(duì)定制音叉的大振臂間隙,我們提出了全新的單管共軸QEPAS(SO-QEPAS)光譜測(cè)聲器配置。該配置中完整的諧振腔被插入到定制音叉振臂之間,大大提高了音叉與諧振腔之間的聲波耦合效率,在探測(cè)5%的干燥CO_2時(shí),相比于沒有配備諧振腔的裸音叉,SO-QEPAS配置將探測(cè)靈敏度提高了約2個(gè)數(shù)量級(jí)。通過優(yōu)化定制音叉的振臂參數(shù),使得定制音叉的一次泛頻振動(dòng)具有比基頻振動(dòng)更高的Q值。將音叉式石英晶振的一次泛頻振動(dòng)模式應(yīng)用到QEPAS技術(shù)中,發(fā)展了泛頻共振增強(qiáng)型的SO-QEPAS光譜測(cè)聲器。較高的振動(dòng)頻率縮短了聲波波長(zhǎng)、減小了諧振腔的長(zhǎng)度,而且相比于基頻振動(dòng)模式下的裸音叉,結(jié)合了音叉一次泛頻振動(dòng)模式和SO-QEPAS配置的光譜測(cè)聲器將探測(cè)靈敏度提高了約380倍。
【圖文】：

新型石英增強(qiáng)光聲光譜測(cè)聲器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究加上改進(jìn)的鎖相探測(cè)技術(shù)，他們可以用激光光聲光譜技術(shù)來染物。Kreuzer 聲稱如果用一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制的 3 μm 氦氖激光器探測(cè)靈敏度可以達(dá)到 10-8量級(jí)（10 ppb）[9]。Patel 展示了使用轉(zhuǎn)拉曼激光器通過光聲光譜技術(shù)測(cè)量 28 km 高度處的 NO 和后光聲光譜技術(shù)就被廣泛引入到大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)以及生物醫(yī)療

互作用可以產(chǎn)生如圖 1.2 所示的一系列效應(yīng)[3其分子內(nèi)部能態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)（包括振動(dòng)態(tài)態(tài)的分子可以通過自發(fā)輻射或者受激輻射的躍吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱。在氣體中，這種能量以中它以離子或原子（聲子）的轉(zhuǎn)動(dòng)能的形式存，輻射躍遷和化學(xué)反應(yīng)不占主導(dǎo)作用，因?yàn)檩棔r(shí)間是很長(zhǎng)的，而光子能量很小，不足以誘發(fā)化成熱。然而，在電子態(tài)激發(fā)的情況下，輻射激發(fā)相比擬。同時(shí)化學(xué)反應(yīng)也可能產(chǎn)生一部分產(chǎn)生了光化學(xué)離解反應(yīng)，，局部分子數(shù)升高和反上升。
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH73

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本文編號(hào)：2696939