第35卷，第11期 2015年11月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectal Analysis
Vol. 35 ,No. 11 -pp3003-3006
November, 2015
基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究
马欲飞12，于光1，张静波1，罗浩，于欣1，
杨超博，杨振，孙锐，陈德应
1.哈尔滨工业大学光电子技术研究所，黑龙江哈尔滨150001
2.哈尔滨工业大学动力工程及工程热物理博士后流动站，黑龙江哈尔滨150001
摘要石英增强光声光谱技术（QEPAS)出现时间较晚，是一种较为新颖的痕量气体探测手段，本文以大气中的水汽作为测量目标，开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。理论上，首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析，得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案，并讨论广可用于高录致度气体探测的吸收谱线的选择原则。实验中，以输出波长为1.39m的连续波分布
调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响，接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。QEPAS系统经过优化后，获得了5.9Ppm的探测极限，同时对不同浓度的水汽进行了测量，实验数据线性拟合后，得到R-Square为0.98，证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。最后，运用基于3 次谐波探测的微光器波长锁定技术，对大气中的水汽变化进行了广长达12h的连续测量，实验结果表明，该系统性能稳定，具有良好的连续测量能力，可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。
关键词QEPAS；波长调制：谐波探测；连续测量
中图分类号：0657.3文献标识码：A
引言
D0I : 10. 3964 /j. issn. 1000-0593 (2015 )11-3003-04
疫性，这些决定了QEPAS技术具有灵敏度高和体积小价格低等特点3.9]。
本文将以大气中的水汽作为痕量气体，开展对基于
痕量气体检测在火灾预警、燃烧场研究、大气化学、温室气体测量、生命科学、星际探测等领域有着重要的用途，近年来日益引起人们的关注。精确测量这些痕量气体的组分、含量以及其随时间、空间的分布变化，对于基础科学和应用技术研究都具有非常重要的意义。
激光吸收光谱式气体检测具有高灵敏度、高分辨率等优
点，近年来发展迅速，其中应用较为广产泛的主要有可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）、光声光谱(PAS)以及石英增强光声光谱（QEPAS）等技术。其中，QEPAS出现于2002 年]，它是由美国Rice大学的诺贝尔奖获得者Curl教授及 Tittel教授所发明，是一种新额的光谱探测技术，相比采用光电探测器进行光信号探测的TDLAS及采用麦克风进行声波探测的PAS，QEPAS使用价格低廉的石英音叉作为声波探测元件，有英音叉具有体积小、晶质因数高等优点，此外，石英音叉特有的偶极结构使得它对环境噪声具有非常好的免
收稿日期：2014-09-03，修订日期：2014-12-10
QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究，采用波长调制和2 次谐波探测技术，获得了5.9ppm的探测极限，并运用基于 3次谐波探测的波长锁定技术，对大气中的水汽变化进行了长达12小时的连续测量。
波长调制及谐波探测原理 1
根据Beer-Lambert定律，激光经过待测气体后光强变化
为
[7()pdxa() = ()I
(1)
式中，（）为人射光强：I()为出射光强，α）为频率>处的吸收系数，L为吸收路径长度。
为了便于后续信号处理及增大信噪比，我们拟采取波长调制及谐波探测的方案，这就意味着用低频锯齿波电流使激光器以频率扫描经过整个吸收线，同时用频率为子
基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项项目（2012YQ040164）、申央高校基本科研业务费专项资金项目（HIT，NSRIF，2015044)、申国
博士后科学基金项目（2014M560262）资助
作者简介：马欲飞，1984年生，哈尔滨工业大学航天学院讲师
e-mail : mayufei926@ 163, com