由Beer-Lambert定律可知, 光声光谱技术获得的信号强度S与激励光源功率P以及目标气体浓度c、 光谱吸收峰峰值β 均成正比即S∝ Pβ c, 因此, 以强度较高的气体吸收线为探测目标线将有助于提高光声光谱传感器的探测灵敏度^{[11, 12, 13]}。 查阅HITRAN数据库可知, 在激光器成本较低的近红外通信波段, CO₂气体的强吸收线主要集中在1 572以及1 578 nm附近, 如图1(a)所示。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 基于HITRAN数据库的CO2(a)和H2O(b)吸收谱线Fig.1 CO2 (a) and H2O (b) absorption lines based on HITRAN database

采用FITEL公司的DFB激光器, 通过改变激光器的工作温度, 可以实现6 355~6 372 cm^-1波数范围内的连续输出, 可覆盖多条CO₂吸收线。 除考虑吸收线强度外, 不同气体吸收谱线的重叠情况也必须考虑, 以避免由于谱线间重叠造成的信号失真。 对以近红外波段激光器为光源的CO₂传感器而言, 可能的干扰气体主要是大气中存在的水汽(H₂O)、 一氧化碳(CO)、 甲烷(CH₄)等。 查阅HITRAN数据库可知, 在实验激光器工作波段范围内CO₂特征吸收线强度较CH₄特征吸收线强度高3个数量级。 此外, 虽然CO特征吸收线强度与CO₂特征吸收线强度相当, 但中国环境监测总站公布的数据显示大气中CO含量较CO₂低2个数量级。 综上所述, 大气中CO及CH₄气体对CO₂监测造成的影响均可以忽略。 图1(b)为基于HITRAN数据库信息, 使用Labview软件模拟出的H₂O与CO₂气体的吸收谱线(图中两种气体的浓度为气象局公布的当地大气中二者的实际浓度)。 综合图1的信息, 最终选择6 361.25 cm^-1处的CO₂吸收线作为探测目标线, 从而避免了大气中其他气体对CO₂探测产生的干扰。

受益于激光通信领域近年来的高速发展, 用于实现光信号远距离传输的光纤放大器已实现商业化量产, 其成本也大幅度降低。 光纤放大器的核心器件是一段掺杂了稀土元素的单模光纤, 以及高功率的泵浦光源(如980 nm半导体激光器)。 光纤放大器工作时, 信号光与泵浦光同时从相同方向(同向泵浦)或相反方向(反向泵浦)注入到掺杂有稀土元素的光纤中时, 稀土元素离子在泵浦光的作用下被激发到高能级并很快衰退至亚稳态能级, 而后在信号光作用下回到基态, 同时发射出对应于信号光的光子, 从而使信号光功率得到放大。 商用光纤放大器一般依据其工作光波长的不同分为S波段(1 450~1 550 nm)光纤放大器、 C波段(1 520~1 570 nm)光纤放大器以及L波段(1 565~1 610 nm) 光纤放大器^[14]。 与本实验激励光源波长相对应的是L波段光纤放大器, 由于该波段光纤放大器以铒离子(Er³⁺)作为掺杂物质, 因此常被称为掺饵光纤放大器(EDFA)。 实验所用EDFA购买自上海瀚宇有限公司(型号: MFAS-L-EY-B-MP), 这一光纤放大器可将中心波长处于1 570~1 600 nm波段范围内的信号光功率放大后, 以30~1 500 mW范围内的任意功率值输出。 实验中所用的光纤为加拿大OZ optics公司的高性能光纤(型号: LPF-01), 可满足高功率激光长时间传输的需求, 且可保证高功率激光传输前后线宽及单模特性的稳定性^[14]。

基于光纤放大器的QEPAS系统的结构如图2所示。 FITEL公司生产的输出波长可覆盖6 361.25 cm^-1的DFB激光器(型号: 62Y38A01)作为光声信号的激励光源安装在激光驱动器中。 电脑通过该驱动器精确控制激光器的工作电流以及工作温度, 从而实现对激光器出射光波长的调控。 由于实验中采用了波长调制技术以及谐波解调技术, 因此激光器工作电流中除波形为锯齿波的驱动电流之外, 还叠加了频率f为QTF共振频率一半(f=f₀/2=16 376.85 Hz)的正弦调制信号。 输出的激光通过光纤被传输至EDFA进行功率放大。 EDFA输出的高功率激光经光纤传输后, 通过一个光纤耦合的透镜实现整形汇聚, 聚焦焦点位于QTF两振臂之间。 QTF通过压电效应将光声信号携带的能量转换为电能, 并通过自身的一个电极将电信号输出至跨阻抗前置放大器。 以激光调制频率的2倍频(2f)为解调频率的锁相放大器对上述跨阻抗前置放大器输出的电信号进行二次谐波解调, 最终获得目标气体浓度等相关信息。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 系统结构示意图Fig.2 Schematic of the system

由于光声信号十分微弱, 在QEPAS系统中, 通常在QTF两端沿光路方向添加一对微型声音谐振腔, 使光声信号在其内部形成驻波, 从而实现微弱光声信号的放大增强。 本实验中内径r=0.8 mm, 长度l=4.0 mm的一对不锈钢管作为谐振腔被固定在QTF顶端以下0.7 mm处, 且两管到振臂侧面的距离均为20 μ m。 上述谐振腔的几何尺寸与文献[3]中报道的谐振腔的最佳尺寸(内径r₀=0.6 mm, 长度l₀=4.4 mm)并不一致, 这主要是因为高功率激光在其腰斑半径之外区域仍有较高的能量, 这部分能量与谐振腔或QTF接触作用后会转换为噪声。 因此, 实验中所用的谐振腔选用了内径较大且长度较短的配置。 由QTF和两只微型声音谐振腔构成的光声探测模块被装配在体积仅为2 cm³的气室内, 气室顶部安装有气体交换通道且其两端均由CaF₂窗口密封。

为进一步抑制系统噪声, 装置中采用了电学调制相消技术: 通过函数发生器产生频率与激光调制频率相同的正弦信号, 经信号衰减器对幅度进行衰减后传输至QTF的另一只电极, 该信号将基于逆压电效应使QTF的两振臂产生一定幅度的振动^[15]。 以激光调制信号的同步信号为参考, 当函数发生器产生的正弦信号的相位与激光调制频率的相位相反时, 只要通过调节信号幅度大小使其引起振臂的振动与噪声造成的振臂振动相互抵消, 从而达到消除噪声的目的。

通过傅里叶变换红外光谱仪对激励光源输出光波长进行测量, 确定激光器输出激光波长为6 361.25 cm^-1时的工作温度及电流分别为30.5 ℃和220 mA, 此时激光器的输出光功率为39.8 mW。 为获得CO₂吸收谱线, 以1 000 ppm CO₂∶ N₂混合气体作为待测气体, 在室温下(T=25 ℃)通过控制气室顶端气体交换通道的流速将气室内气压控制在一个标准大气压, 在上述工作温度下对激光器的驱动电流进行扫描, 获得了图3中虚线所示的CO₂气体二次谐波谱线。 验证EDFA在放大激光功率的同时并不影响激光的其他特性, 我们在控制其输出功率为400 mW的情况下重复了上述电流扫描过程, 获得了图3中实线所示的结果。 比较可知, EDFA对激光功率的放大仅造成信号强度的提高, 并未造成吸收线线型及展宽的变化。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 EDFA对光功率放大前后的QEPAS信号Fig.3 QEPAS signal with and without EDFA

为进一步研究激光功率与目标气体吸收谱线间的关系, EDFA输出功率的设定值从50 mW不断增加至1 495 mW。 EDFA实际输出光功率与不同光功率情况下谐波信号幅值间的关系见图4。 如图4所示, 二者拟合的R-Square值为0.999, 这一结果证明了QEPAS系统的信号强度与激励光功率成正相关。 为获得最佳的传感器性能, 以下实验均在激光功率为1 495 mW的情况下完成。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 QEPAS信号随激励光功率的变化曲线Fig.4 QEPAS signal as a function of the laser power

对采用波长调制技术的QEPAS系统而言, 由于光声信号强度与激光调制深度和气体吸收线的线宽均相关, 因此在选定气体吸收先后需要对激光调制深度进行优化。 实验中, 在保证其他实验参数一致的情况下, 通过改变调制电流大小获得不同调制深度, 并分别扫描激光器驱动电流来确定常压下位于6 361.25 cm^-1处CO₂吸收线的最佳调制深度。

如图5所示, 随着调制深度的增加, QEPAS系统获得的光声信号不断增强, 当调制深度超过12 mA(0.33 cm^-1)时, 光声信号强度减弱。 因此, 实验中激光波长调制深度被固定为0.33 cm^-1。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 QEPAS信号幅值随调制深度的变化关系Fig.5 QEPAS signal amplitude as a function of modulation depth

传统QEPAS系统的噪声主要是QTF的热噪声, 结合系统探测带宽(Δ f=0.833 Hz)计算可知其大小约为2.5 μ V^[16]。 实验中, 在QEPAS系统中通入高纯氮气进行扫描获得实际噪声大小。 图6(a)以实线和虚线的形式分别展示了电学调制相消系统开启和关闭情况下的系统噪声水平。 由图可知, 在不对噪声进行抑制的情况下, 系统噪声高达42 μ V, 较理论值高出约16倍。 这主要是因为激光功率被放大后, 其腰斑半径之外区域的能量显著增加, 这部分区域不可避免的与微型谐振腔或QTF接触, 其能量被吸收后引起QTF的振动从而使系统背景噪声显著增强。 在开启电学调制相消系统后, QEPAS系统的噪声为2.7 μ V, 与理论噪声水平相当。 基于上述结果计算可得功率增强型QEPAS系统的最小探测灵敏度为3.5 ppm, 与同样以近红外波段光源为激励光源的传统QEPAS系统相比提高了77倍。 此外, 本文所述功率增强型QEPAS系统的归一化等效吸收系数(NNEA)为1.01× 10^-8 W· cm^-1· Hz^-1/2, 与传统QEPAS技术相当, 这是因为NNEA这一参数与气体吸收线线强以及激励光功率均相关。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 (a)使用EDFA进行激励光功率放大情况下大气中CO2气体的QEPAS信号; (b)使用EDFA进行激励光功率放大情况下系统噪声水平Fig.6 (a) The QEPAS signal for CO2 in the air acquired with EDFA; (b) Noise analysis of the QEPAS system with EDFA

为进一步评估基于光纤放大器的石英增强光声光谱CO₂痕量气体检测装置的性能, 对干燥大气中的CO₂浓度进行了测量, 结果如图6(b)所示。 上述结论说明该系统完全可满足大气检测、 科学研究等领域对CO₂气体在线精确检测的需求。