Схематическая конфигурация двойного резонанса PAS со стратегией блокировки лазер-резонатор-молекула. ECDL, диодный лазер с внешним резонатором; ЭОМ, электрооптический модулятор; FG _1,2 , функциональный генератор; PDD, детектор Паунда-Древера-Холла; PID _1,2 , контроллер пропорционально-интегрально-дифференциальный; Драйвер PZT, драйвер пьезопреобразователя; TIA, трансимпедансный усилитель; LIA, синхронный усилитель; ОС, оптический переключатель; FC, волоконный коллиматор; PBS, поляризационный светоделитель; QWP, четвертьволновая пластина; L _1,2 , линза согласования мод; ФД _1,2 , фотоприемник; RC, эталонная ячейка. 
Предоставлено: Фотоакустика (2022 г.). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100436

Сероводород (H ₂ S) представляет собой скрытую угрозу, которая является причиной многих случаев токсического воздействия, но также была признана незаменимая роль H ₂ S в клеточной передаче сигналов и защите, а также в регулировании многочисленных биологических функций. Следовательно, стабильность и точность устройств обнаружения газа имеют решающее значение в междисциплинарных областях фундаментальных или прикладных исследований. Однако чувствительное и быстрое обнаружение H ₂ S остается сложной задачей, особенно в диапазоне концентраций в несколько частей на миллион (ppm) или ниже.

В исследовании, опубликованном в Photoacoustics, профессор Ван Цян и Чжан Хуэй из Чанчуньского института оптики, точной механики и физики (CIOMP) Китайской академии наук (CAS) разработали сверхчувствительный датчик газа H ₂ S на основе двухрезонансной фотоакустической спектроскопии (ПАС). Они предложили интригующую стратегию блокировки молекулы лазерного резонатора для увеличения отклика датчика и повышения стабильности системы для быстрых и непрерывных измерений.

Сенсор H ₂ S реализован в ближней инфракрасной области, где оптика является зрелой и коммерчески доступной. Его чувствительность повышена за счет применения двухрезонансного ФАС с коэффициентом усиления эффекта ФАС 18000, достигаемым за счет одновременного накопления мощности лазера накачки с оптическим резонатором и звуковой энергии с акустическим резонатором. Его быстрый отклик реализуется за счет специализированного захвата молекул лазерного резонатора. Вместо того, чтобы сканировать весь спектр, стратегия синхронизации позволяет одновременно синхронизировать частоту лазера, моду резонатора и линию поглощения с помощью двух отдельных контуров обратной связи.

Работа датчика была экспериментально оценена путем обнаружения смесей H ₂ S/N ₂ при давлении 1 атм и при комнатной температуре. Эквивалентная концентрация шума (NEC), фактор, показывающий чувствительность, была определена равной 79 ppb при времени интегрирования 1 с, что приводит к нормированному коэффициенту эквивалентного шумового поглощения (NNEA) 8,9×10 ¹² Вт · см ^-1 · Гц ^-1/2 . Кроме того, NEC достигла 10 ppb за время интегрирования 200 с. Кроме того, сигнал PAS-1f остается достаточно стабильным. Это преимущество предложенной стратегии блокировки, которая может компенсировать медленные дрейфы длины резонатора или изменения, вызванные источником нагрева.

Эти значения подтвердили, что чувствительность этого датчика H ₂ S превосходит чувствительность датчиков на основе QEPAS и датчиков на основе CRDS, о которых сообщалось в литературе, а NNEA достигает 50-кратного улучшения.

Это исследование предоставляет мощный аналитический инструмент для точного измерения H ₂ S в медицинской диагностике, оценке качества воздуха, прогнозировании рисков при обнаружении газов в угольных шахтах и ​​т. д., где требуется измерение уровня H ₂ S от частей на миллиард до частей на миллион.