光声光谱气体探测器的新发展

　　1　引　言

　　在使用宽谱带的黑体辐射源和普通红外吸收技术的红外气体检测中,傅里叶变换红外(Fouriertransform infrared, FTIR)光谱仪被认为是最好的仪器。但是现代的FTIR气体分析仪器已经被发展到接近于理论性能的极限了,FTIR光谱仪的性能很难再有一个显著的提高了[1]。为了得到更高的灵敏度,比较明智的做法是去寻找一种新的技术,光声光谱技术就是其中之一。

　　光声光谱(photoacoustic spectroscopy, PAS)是基于光声效应的一种光谱技术。早在1880年Bell就发现了光声效应。但直到上个世纪70年代,Robin和RoScencwaig的研究工作表明光声光谱法可用来测定传统光谱法难以测定的光散射或不透明的样品,光声光谱才开始引起人们的注意。由于激光的问世使得光声光谱技术开始被广泛应用。近年来,在工业和环境问题中越来越多对微量气体监测的需要促使了基于光声光谱的气体检测技术不断向前发展。不断被发现的新光源、不断进步的声传感技术及微弱信号检测技术,加上光声光谱理论的不断完善,基于光声光谱技术的气体探测仪器的各方面性能都有了显著的提高。现就近十年来光声光谱气体探测技术中出现的新器件及其应用做一些讨论。

　　2　理论基础

　　传统的光谱技术基于Beer-Lambert定律,它直接测量通过气体样品的光能光谱。和传统的光谱技术不同,PAS是测热学技术中的一种,测量光能被气体样品吸收后转化成的热能。某些波长的光子被气体分子吸收后,受激的气体分子通过无辐射跃迁将光能转化为热能,样品气体局部的温度变化引起了气压的变化。当光能被调制时,产生的热能是周期性的,因此产生被调制的气压,并出现了声波。用微音器探测到的光声信号U正比于光声池的响应RC,微音器的灵敏度RM,光源的功率W0,还有样品气体的浓度c以及吸收系数K:

　　在实际测量时,式(1)中的参数除了样品气体的浓度外,其他的都可以知道,由此可以求出气体的浓度。

　　3　系统组成

　　影响光声光谱气体探测系统灵敏度的主要是三部分,即光源,光声池,微音器。图1为光声光谱气体探测器的工作原理图(其使用的为脉冲激光器,若使用连续波激光器或非相干光源,图中的示波器用锁相放大器代替,其他部分作相应改动即可)。

　　3.1　光源

　　由于大部分气体分子的特征谱线出现在中红外波段(3μm～20μm),因此在这个波段的可调辐射源就比较适用于气体探测器。按工作方式,光辐射源可分为脉冲和连续辐射两类。为了使连续辐射的光束变成强度时变的光束,通常还需要各种相应的调制技术。如果按辐射本身的特性来分,辐射光源又可分为非相干光源和相干的激光光源两类。