SAME封面：“大头”音叉增强，让有害气体“浮出水面”

本文为中国激光第3144篇。

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编者按

青年编委既是我国科技创新发展的生力军，更是期刊发展的源头活水。《光学学报》于2022年推出“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊的同时，组建了一支强有力的SAME期刊青年编委。

为集中展示青年编委风采，编辑部定向邀约其代表作，精心组织“SAME青年编委专栏”（出版中），共收录16篇特邀论文，分别涵盖激光雷达、气溶胶、温室气体探测、光谱传感技术、光学散射技术以及海洋光通信等领域。

本文源自哈尔滨工业大学马欲飞教授课题组，文中通过研究石英增强光声光谱(Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy,  QEPAS)技术中石英音叉工作的基本原理，提出一种“大头”的T字型石英音叉设计方案，该设计有效解决了共振频率过高、能量积累时间短、叉指间距小等问题，在QEPAS技术中具有较高的应用价值，被选为《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊封面文章，同时被收录至“SAME青编委专栏”中。

封面解读：封面形象展示了石英音叉探测气体分子的工作原理。将“大头”T字型石英音叉置于充满待测气体分子的环境内，激光束入射到气体中，通过光声效应产生声波，此声波信号与石英音叉发生相互作用产生振动，基于音叉的共振和压电特性，石英音叉放大振动并产生电流信号，对该电流信号进行解析即可反演出气体浓度，性能优异的“大头”T字型石英音叉改善了系统传感性能。

文章来源：房超,乔顺达, 何应, 申作春, 马欲飞. T字头石英音叉的设计及其气体传感性能[J]. 光学学报, 2023, 43(18): 1899910.

导语

随着天然气、液化气在生产生活中的普及，由于使用不当而造成的爆炸、中毒事件时有发生。此外，很多工厂在运行过程中需要使用一定纯度的工业气体作为原料，同时还会在生产过程中产生多种浓度很高的衍生气体，这些气体往往会有一定的危害，排放到大气中会损坏人们的身体健康，因此，痕量气体的检测就显得非常重要。基于石英音叉探测的石英增强光声光谱(QEPAS)技术具有结构简单、成本低、抗噪声能力强等优点，是气体传感领域研究的热点。

石英音叉：检测气体浓度的关键

传统的光声光谱传感技术使用麦克风作为探测元件，检测气体吸收激光后产生的声波信号，进而计算出气体浓度，但是麦克风响应频带较宽，很容易受到环境中其他声波噪声的干扰，导致测量结果不佳。为了解决这一问题，2002年美国莱斯大学Frank Tittel教授课题组提出了 QEPAS技术，使用石英音叉代替麦克风进行声波信号探测，结果表明：石英音叉具有响应带宽窄、抗噪声能力强、品质因数高等优点。石英音叉是QEPAS技术中的核心元件，但目前该技术广泛使用的、共振频率为32.768 kHz的商用石英音叉还存在一定的局限性，如由于共振频率过高无法对分子弛豫率低的气体进行检测、能量积累时间短导致系统对声波信号的收集能力弱、石英音叉叉指间距小不利于激光束从中间穿过导致光学噪声大和系统调节困难等。

T字头石英音叉“优”在哪？

为了解决商用石英音叉存在的问题，哈尔滨工业大学马欲飞教授课题组设计了T字头石英音叉，如图1所示。相较于商用石英音叉，T字头石英音叉的应力分布最大值提高了4.6倍，表面电荷密度提高了1.14倍。这主要得益于T字头石英音叉的尖端设计采用2.4 mm×2.0 mm的长方形结构，使得整个石英音叉的重心升高，增大了其在振动过程中的受力力矩，进而提高了石英音叉在共振过程中的振动幅度和石英音叉根部所受的应力，最终改善了信号的收集效率。实验测定的T字头石英音叉共振频率为8930.93 Hz，品质因数为11164，叉股间隙为1.73 mm。该设计既降低了共振频率、提高了品质因数、增强了石英音叉对声波的收集能力，又使其叉指间隙得到扩大，有利于光束的准直传输并降低了系统光学噪声。

图1 石英音叉电荷分布仿真结果。（a）商用石英音叉；（b）T字头石英音叉

在实验验证环节，以大气中的水汽作为测量对象，QEPAS探测系统的结构如图2(a)所示。选择位于1368.6 cm^-1处水汽吸收线，锁相放大器输出的正弦信号与信号发生器产生的锯齿波相互叠加，用于调节激光控制器，经过耦合传输的激光光束入射到石英音叉叉指间隙中，此处的水汽分子吸收激光能量，产生光声信号，基于石英音叉的压电效应，此声波信号被转换为电信号，将其传输给锁相放大器，解调得到二次谐波信号(2f)。在相同条件下，该系统测试了如图2(b)所示的两种石英音叉的实物，图左是商用石英音叉，图右是T字头石英音叉。

图2 QEPAS传感系统。(a) QEPAS水汽探测系统；(b) 两种石英音叉实物图

在优化QEPAS传感系统参数后，分别测量了基于商用石英音叉和T字头石英音叉的水汽2f信号，测试结果如图3所示，通过计算2f信号侧翼部分可以得到系统的噪声，从图中可以看出，采用商用石英音叉的水汽2f信号幅值为16.44 μV, 噪声为58.86 nV，信噪比为279.31。采用T字头石英音叉测得的水汽2f信号幅值为25.37 μV ,噪声为56.54 nV，信噪比为448.71。相比于商用石英音叉，采用T字头石英音叉探测得到的信号幅值提高54.32％，信噪比提升60.65％。这些改善主要是因为T字头石英音叉的能量积累时间较长，系统对声波信号的收集能力得到提高，同时叉指间隙的增大降低了光学噪声的影响。

图3 采用不同石英音叉的QEPAS系统2f信号图

总结与展望

目前在QEPAS技术中广泛应用的商用石英音叉存在一定局限性，如共振频率过高、能量积累时间短、叉指间距小等。与目前广泛应用的商用石英音叉相对比，本文设计加工的T字头石英音叉共振频率降低73%，品质因数提高22％。将此石英音叉应用于近红外QEPAS水汽探测系统中，进一步验证其传感性能。与商用石英音叉相对比，基于T字头石英音叉的水汽QEPAS系统信噪比提升60.65％，由此证明此石英音叉传感性能的优越性。但此石英音叉的等效电阻值仍然过高，对整体探测性能存在影响，后续将进一步优化，降低等效电阻值，以进一步提高系统的传感性能。

通信作者简介

马欲飞，哈尔滨工业大学航天学院教授、博士生导师，国家优秀青年基金获得者、黑龙江省首批优秀青年基金获得者、哈尔滨工业大学青年拔尖人才、哈尔滨工业大学青年科学家工作室学术带头人、2022和2021年度爱思唯尔中国高被引学者。作为负责人主持国家自然科学基金重点、优青、国家载人航天、华为公司委托项目等。担任国际知名SCI检索Elsevier 《Photoacoustics》、Optica《Optics Express》、SPIE《Optical Engineering》、Wiley《Microwave and Optical Technology Letters》、《Chinese Optics Letters》等8个期刊领域主编/副主编/编辑，担任《光学学报》等青年编委。以第一作者/通信作者发表1区论文70余篇（其中ESI热点论文16篇、ESI高被引论文22篇），获军队科技进步二等奖、教育部学术新人奖、美国光学学会Incubic/Milton Chang Travel Grant等多项奖励。

科学编辑 | 马欲飞

编辑 | 王晓琰

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