第33卷，第12期 2013年12月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 33,No. 12 -pp3187-3191
December : 2013
石英晶振用于石英增强光声光谱系统的优化实验研究
郑华丹，董磊，刘研研，武红鹏，张雷，马维光，尹王保，贾锁堂
量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学激光光谱实验室，山西太原030006
摘要研究了音叉式石英晶振的个体尺寸、安放角度、探测部位以及外部污染对整个石英增强光声光谱系统（OEPAS)的探测录灵敏度影响。测试广国内外十种不同音，结果表明项端为模形构造的音叉式右英晶拆比规则的长方体构造的音叉拥有更高的品质因数（Q值）。在相同的测试条件下探测水的吸收线（7306cm一1）时获得更高的录灵致度，探测信号的强度相差高达50%。在研究音支安放角度对探测信号影响的实验中，发现音叉的旋转角度与俯仰角度对探测信号的强度几乎没有影响，但是当光束以角度斜入射时，更多的噪声被带入到测量中。在正人射的情况下音叉的最佳响应位置在距离音叉底部约3.1mm。定性研究了外部杂物污染对音叉频率的影响，发现随着污染物的附着，石英音叉的频率会呈现降低的趋势，提供了一种改变音叉式石英晶振的共振频率的方法，为石英音叉用于较低调制频率的探测提供了一种理论可能，这对于石英增强光声光谱技术用于V-T弛豫率较慢的痕量气体检测有重要的意义。
关键词光谱学；石英增强光声光谱：音叉式石英晶振；光学气体传感器；传感器优化
中图分类号：0433.1；0433.4
文献标识码：A
引言
随着微光器制造技术的不断发展和革新，光声光谱技术已被广泛用于物理、化学、生物、医药等多方面的研究分析口-5汀。传统的光声光谱技术采用高灵敏度的麦克风配备个十几到几十立方厘米的光声池“去探测被测气体在吸收了探测光能量后由于碰撞退激发产生的微弱声音信号。由于受到传统光声池几何尺寸的限制，系统使用的调制频率比较低（一般1～4K），而麦克风又是一个宽带声音探测器，所以系统容易受到背景噪声的影响。2002年美国RICE大学激光科学组首次提出了石英增强型光声光谱技术（QEPAS)"，利用音叉式石英晶振（简称为有英音叉或音叉）代替传统麦克风来探测声音信号。该技术最大的优点是音叉式石英晶振只在特定的极窄的频率附近（32kHz附近)对声音有响应，对其他频段的声音有很强的抑制能力，这样，音叉式石英晶振的引人使光声光谱的实用性大大增强。目前，具有动态范围大、体积小型化等特点的QEPAS传感器已经在实验室开始使用了*。
收稿日期：2013-03-25，修订日期：2013-06-22
DOI: 10. 3964/j. issn. 1000-0593 (2013)12-3187-05
由于生产厂家的不同，市场上的商用音叉式石英晶振在尺寸和性能方面存在很大差异，因此有必要实验进行比较和筛选，以确定用于石英增强光声光谱最佳的商用石英音叉。音叉相对于光束的探测角度、作用位置以及外部环境对音叉的污染都会在一定程度上影响QEPAS系统的探测灵敏度这些关键性问题在石英增强光声光谱系统的设计和性能评估中是十分重要和有意义的。
实验部分 1
实验使用一个1368.7nm的DFB激光器（华赢)作为激发光源，最大功率24mW。激光器温度通过温度反馈被稳定在22.95℃，水在7306.7cm-的吸收线被选作探测线，
系统装置如图1所示，一个函数发生器（Agilent
33120A)产生正弦波，一路送到DFB激光器电流驱动调制端口，使激光器的电流被调制在频率f。/2（fo为音叉式石英晶振的共振频率），一路连接到锁相放大器（Stanford，SR830），作为参考信号。激光器输出的探测光被带光纤接口的聚焦器
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2012CB921603），国家自然科学基金项目（61275213，61108030，61127017，
61178009，61378047，61205216）和山西省青年科学基金项目（2013021004-1，2012021022-1），国家科技支撑计划(2013BAC14B01），山东省专利推广实施项目（131002），山西省回国留学人员科研项目（2013-011），山西省留学回国人员科技活动资金项目(2013-01)资助
作者简介：郑华丹，1988年生，山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室硕士研究生
e-mail : donglei@ sxu, edu, er
*通讯联系人
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