第35卷，第8期 2015年8月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.35,No.8-pp2078-2082
August,2015
利用石英增强光声光谱技术在2.0um处实现
高灵敏CO2检测的实验研究
刘小利，武红鹏，部杰，董磊，张雷，马维光，尹王保，费锁堂
1.量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学激光光谱研究所，山西太原030006 2.浙江师范大学信息光学研筑所，浙江金华321004
摘要基于石英增强光声光谱技术，以中心波长为2.0um的窄线宽分布反馈式半导体激光器（DFB)为激励光源，采用波长调制及二次谐波解调技术通过改变激光器工作电流实现波长扫描完成了痕量CO：气体检测系统，并通过优化实验参数确定了常压下激光最佳调制深度，实现了高灵敏CO：浓度的检测。通过改变待测气体中的水汽浓度，研究了水汽对CO气体探测结果的影响，结果显示在水汽浓度低于0.2%范围内， CO2气体光声信号随H0浓度的上升而明显增强：当浓度高于此值后，H20浓度的增加对CO：光声信号的增强作用几乎维持不变。数据显示，常温常压下H20分子通过提高分子弛豫率最多可将二氧化碳R16吸收线的光声信号幅值提高约2.1倍。优化后的装置可以很好的实现大气中CO2浓度的检测。该装置获得的最小探测灵敏度为19ppm(1o，300ms积分时间），相应的归一化噪声等效吸收系数为4.71×10-cm-1，W， Hz-1/2。
关键词石英增强光声光谱；2.0m分布反馈激光器；气体传感器；分子弛豫率
中图分类号：0657.3文献标识码：A
引言
DOI : 10. 3964 /j. issn. 1000-0593 (2015 )08-2078-05
性的痕量气体探测技术"」。该技术于2002年由Rice大学 FrankK，Tittel教授领导的研究小组首次提出，它不仅传承了传统光声光谱技术所拥有的探测波长无选择性、探测灵敏
CO2是自然环境中大气的重要组成成分，在植物光合作用以及生物呼吸作用的过程中扮演着重要的角色，同时也是现代化工业生产的重要原料和工业废气的主要成分。因此，对CO浓度的实时监测在环境污染检测、工业过程控制、精细农业发展、生命科学研究等诸多领域都有着重要的意义。目前国内外较成熟的CO?气体检测技术从原理上主要可分为半导体陶瓷式口、电化学式3]、固体电解质式3、非色散红外吸收式5等四大类，据此研发的相关传感器虽然基本上可以满足工业领域CO：浓度检测的需求但均存在明显的缺陷，如稳定性不高、探测范围窄、易受水汽浓度干扰、探测灵敏度差等。
基于石英增强光声光谱技术（QEPAS)的CO2传感器很好的克服了上述传统CO2传感器的不足。QEPAS技术是一种新型的高灵敏度、高选择性、且对环境噪声具有强抗十扰
收稿日期：2014-10-27，修订日期：2015-02-12
度与光源功率成正比等优点，而且通过使用高品质因数石英音叉（QTF)代替传统光声光谱技术中的宽带麦克风，使这种新型传感器还具有了成本低、体积小巧、动态范围广等特点7-9]。基于QEPAS技术的传感器中，光声信号的激发光源对传感器可获得的最小探测灵敏度起决定性作用，这是由于光声信号幅值与激发光光功率以及气体吸收线强度均成正相关。由于技术及成本的限制，在CO2的探测中，人们一般选择中心波长为1.572um的分布反馈式半导体(DFB)激光器作为微励光源。实验研究显示，以吸收线强度为1.732文 10-2cm-1/mol·cm-"）的CO2吸收线为探测目标线，在 300ms的积分时间下基于QEPAS技术的CO2传感器探测灵敏度大致为300ppmo.1。而空气中的CO2含量为～380 Ppm，如此的灵敏度无法精确探测空气中CO:的含量。
随着激光技术的发展，DFB激光器的输出光波长已不再
基金项目：国家自然科学基金项目（61275213,61108030,61275154），山西省自然科学基金项目（2013021004-1），山西省回国留学人员科研资
助项目(2013-011），山西省留学回国人员科技活动资金项目(2013-01)和浙江省公益性项目（2014C31025)资助
作者简介：刘小利，1989年生，山西大学激光光谱研究所硕士研究生
*通讯联系人e-mail：donglek@sxu.edu-n
e-mail : liuxiaoli2004@ 126-com