Разработан новый двухрезонансный фотоакустический датчик газа
В недавнем исследовании, опубликованном в Photoacoustics, д-р ВАН Чжэнь и профессор ВАН Цян из Чанчуньского института оптики, точной механики и физики (CIOMP) Китайской академии наук (CAS) разработали новый датчик газа на основе двойного резонанса PAS, который объединяет оптические и акустические резонаторы в сантиметровой конфигурации и использует эффект двойной стоячей волны. И акустические, и оптические волны значительно усиливаются на несколько порядков.
Принцип работы двухрезонансного ПАС. ASW: акустическая стоячая волна; OSW: оптическая стоячая волна; QTF: кварцевый камертон. Амплитуда OSW модулируется на резонансной частоте QTF. Геометрия акустического резонатора спроектирована в соответствии с акустической частотой.
Предоставлено: Фотоакустика (2022 г.). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100387
Датчики газа на основе фотоакустической спектроскопии (PAS) обладают преимуществами спектроскопии поглощения с перестраиваемым диодным лазером (TDLAS), такими как высокая чувствительность, высокая селективность и широкий динамический диапазон. Требуемая производительность датчика становится все более высокой в практических приложениях.
Многочисленные работы были сосредоточены либо на акустическом резонаторе для усиления акустической волны, либо на оптическом резонаторе для усиления оптической волны. Однако одновременно улучшить чувствительность и динамический диапазон невозможно.
В недавнем исследовании, опубликованном в Photoacoustics, д-р ВАН Чжэнь и профессор ВАН Цян из Чанчуньского института оптики, точной механики и физики (CIOMP) Китайской академии наук (CAS) разработали новый датчик газа на основе двойного резонанса PAS, который объединяет оптические и акустические резонаторы в сантиметровой конфигурации и использует эффект двойной стоячей волны. И акустические, и оптические волны значительно усиливаются на несколько порядков.
При резонансе между частотой падающего лазера и модой продольного резонатора оптического резонатора пара зеркал резонатора формирует стоячую оптическую волну. Можно ожидать значительного увеличения мощности лазера от высокоточного оптического резонатора, который напрямую усиливает фотоакустический сигнал. Модуляция интенсивности падающего лазера имеет ту же резонансную частоту, что и преобразователь. Генерируемая акустическая волна усиливается на два порядка в специально разработанном одномерном акустическом резонаторе.
Сигнал PAS-1f линии C 2 H 2 при 1531,6 нм в трех различных конфигурациях был измерен в одних и тех же экспериментальных условиях. Комбинированное оптико-акустическое усиление обеспечило коэффициент усиления 10 5 . Линейный отклик датчика был протестирован с различными смесями C 2 H 2 /N 2 , и датчик показал очень хороший линейный отклик от 1 ppb до 50 ppm. Анализ отклонения Аллана-Верле был проведен для оценки долговременной стабильности и минимального предела обнаружения. Эквивалентная концентрация шума (NEC) может быть улучшена до 0,5 ppt при времени усреднения 300 с, что дает коэффициент NEA 5,7×10 -13 см -1. В результате предлагаемый фотоакустический датчик газа достигает динамического диапазона 1,0×10 8 .
По сравнению с современными датчиками газа PAS, разработанный датчик достигает рекордной чувствительности и динамического диапазона, что обеспечивает мощный инструмент для научных исследований.
