张楚,潘浩,尹翔宇,王巧云*

(1 东北大学信息科学与工程学院,辽宁 沈阳 110819;2 微纳精密光学传感与检测技术河北省重点实验室,河北 秦皇岛 066400)

0 引言

光声光谱技术是利用光声效应的一种光谱技术,是分子光谱学的一个重要分支。由于其具有检测灵敏度高、可选择性强、可实现实时在线监测等优点,在大气环境监测[1-3]、气体泄漏检测[4-8]、医学临床诊断[9-11]等领域得到了广泛应用。

近年来,激光技术不断发展,光声光谱技术也随之得到高速发展。作为光声效应的产生载体,光声池的设计是影响光声光谱系统性能指标的重要因素,因此设计合理的光声池结构对于提高光声信号的大小和光声检测的信噪比尤为重要。2012 年,Cao 等[12]将QEPAS 技术应用于C2H2气体检测中,得到2×10-6的检测灵敏度;2014 年,Bauer 等[13]结合3D 打印技术制作了微型光声池,在小功率DFB 激光二极管的激励下,获得2.5×10-7的C2H2气体检测灵敏度;2016 年,Liu 等[14]用T 型光声池对CO2等气体实现了低共振频率检测;2018 年Gong[15]提出了一种半开腔式一阶纵向共振光声池结构,对C2H2气体检测的灵敏度下限达到8.1×10-7。

本文对圆柱形光声池谐振腔部分进行优化改进,提出一种新型椭球形共振光声池,并对其进行设计加工。通过COMSOL 有限元分析软件仿真椭球形光声池的声学特性,对光声池共振频率、内部声压分布等参数进行了探讨分析。在仿真分析的基础上,搭建出椭球形光声池光声光谱气体检测系统,对光声池共振频率进行标定,并在此基础上进一步实验得到光声光谱气体检测系统的信噪比和检测灵敏度。……