【期刊】特邀综述 | 基于石英增强光声光谱的气体传感技术研究进展 | 物理学报
文章信息
基于石英增强光声光谱的气体传感技术研究进展
Research progress of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy based gas sensing
马欲飞
物理学报. 2021, 70 (16): 160702
doi: 10.7498/aps.70.20210685
原文链接：
http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20210685
文章导读
痕量气体指的是体积分数远小于1% 的气体，虽然其含量不高，但对多个领域影响巨大。光谱式气体传感技术是基于气体分子的“指纹”吸收光谱特性，通过测量与被测气体光谱特性相关的参数反演气体浓度，因此具有选择性强、灵敏度高、响应迅速、非侵入式和在线测量等优点，是高性能气体传感研究和应用的主流技术。
光谱式气体传感技术大致可以分为三类：1) 直接吸收光谱；2) 腔增强吸收光谱；3) 间接吸收光谱，如光声/光热光谱。在直接吸收光谱和腔增强吸收光谱技术中，需要采用光电探测器对经过气体吸收后的光信号进行测量，而光电探测器体积较大、价格昂贵、部分还需要低温制冷，尤其是适用于中长波红外区域(>10 μm)的光电探测器种类匮乏，这些均限制了直接吸收和腔增强类型气体传感技术的发展。间接吸收光谱技术是基于气体吸收光子能量之后将光能转换为其他形式的能量，比如声波、热能等，因此不需要光电探测器，这就克服了探测元件波长响应的限制，是目前痕量气体传感技术研究的热点。其中，间接吸收光谱中的光声光谱技术具有动态范围大、系统结构简单等优点而备受青睐。光声光谱发展史上的一个里程碑事件是，2002年美国莱斯大学Tittel教授领导的科研小组发明了石英增强光声光谱技术(Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy, QEPAS)，与传统的采用麦克风探测的光声光谱技术相比，QEPAS具有声波探测单元结构简单、体积很小、且能很好地抑制电子元器件的1/f噪声等优点。
《物理学报》2021年第16期“特邀综述”栏目邀请哈尔滨工业大学航天学院马欲飞教授撰写了“基于石英增强光声光谱的气体传感技术研究进展”一文，文章从提高QEPAS传感系统灵敏度的角度出发，总结了常见的技术手段，并对其优缺点分别进行了阐述。同时，本文还讨论了工程应用问题，并以载人航天领域的应用为例进行了例证。最后，对进一步提高QEPAS传感技术灵敏度的方法进行了展望。文章基本涵盖了近几年的最新技术成果，结构严谨、逻辑关系清晰、语言表述准确、图表内容选择合适，具有很好的学术参考价值。
图1 QEPAS传感示意图：(a) QEPAS技术原理；(b) 声波产生及探测
作者简介
马欲飞
哈尔滨工业大学航天学院可调谐激光技术国家级重点实验室教授
哈尔滨工业大学航天学院可调谐激光技术国家级重点实验室教授。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。从事激光传感和激光技术研究，作为负责人主持“国家载人航天”预研项目、国家自然基金等近20 项。担任Optics Express、Optical Engineering 和Microwave and Optical Technology Letters 副主编, Sensors、Applied Sciences、Frontiers in Physics 编辑、Photoacoustics 客座编辑等。以第一作者/通讯作者发表1 区论文50 余篇，ESI 热点论文、ESI 高被引论文、Focus Article、Feature Article、特邀论文等10 余篇。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。
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