长光程共振式二氧化碳气体光声传感器研究

摘要：

二氧化碳(CO2)是植物光合作用的原材料,也是一种温室气体,其过量地排放会影响动植物的生态环境.在碳达峰、碳中和的背景下,研制高灵敏度的CO2检测装置具有重要意义.为了监测大气环境中CO2含量的变化,设计了一种长光程共振式CO2气体光声传感器,并以此搭建了光声检测装置.以中心波长为2004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源,激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔,在腔内多次反射以增加气体的吸收路径.吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹,降低由池体吸收光能后产生的热噪声.吸收腔上耦合一根声学管,当其工作在一阶纵向共振模态时,光声信号被放大,在管子末端达到极大值.为了进一步增大光声信号,通过饱和加湿样品的方式来加快CO2气体的弛豫速率,加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右.使用一系列浓度的湿润C O 2样品标定光声检测装置,结果表明,光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系.在此基础上,通过对标准气体的检测实验,验证了装置的准确性与稳定性.利用Allan方差评估装置在长时间工作下的检测灵敏度,当平均时间为865 s时,检测灵敏度为0.35×10-6.与传统T型光声池相比,光程增加了约20倍,光声信号提升了约6倍.使用装置对室外环境中的CO2进行了共10 h的检测,得到室外CO2的平均浓度约为381×10-6.综上所述,由于长光程、声共振以及加湿样品的有机结合,有效地增大了CO2的光声信号,为气体光声传感器以及检测装置的设计提供了相关参考.

关键词：光声光谱、长光程、声共振、弛豫速率

所属期刊栏目：43

分类号：O433.1(光学)

资助基金：国家自然科学基金;中国科学院科研仪器设备研制项目;安徽省杰出青年科学基金项目

在线出版日期：2023-02-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共7页

页码：43-49