雙諧振PAS的工作原理。ASW：聲駐波；OSW：光學(xué)駐波；QTF：石英音叉。OSW 的幅度在 QTF 的諧振頻率處進(jìn)行調(diào)制。聲學(xué)諧振器的幾何形狀是根據(jù)聲學(xué)頻率設(shè)計(jì)的。來源：光聲學(xué)（2022 年）。DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100387

基于光聲光譜（PAS）的氣體傳感器具有可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）的優(yōu)點(diǎn)，如高靈敏度、高選擇性和寬動(dòng)態(tài)范圍。在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)傳感器性能的要求越來越高。

許多工作都集中在聲諧振器以增強(qiáng)聲波或光學(xué)諧振器以增強(qiáng)光波。但是，靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍不能同時(shí)提高。

在最近發(fā)表在光聲學(xué)上的一項(xiàng)研究中，中國(guó)科學(xué)院（CAS）長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（CIOMP）的王震博士和王強(qiáng)教授開發(fā)了一種基于雙諧振PAS的新型氣體傳感器，它在厘米長(zhǎng)的配置中結(jié)合了光學(xué)和聲學(xué)諧振器，并利用了雙駐波效應(yīng)。聲波和光波都顯著增強(qiáng)了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

通過入射激光頻率與光學(xué)諧振腔的縱向腔模之間的諧振，一對(duì)諧振腔鏡形成光駐波。高精密度光學(xué)諧振器可以顯著增加激光功率，它直接放大光聲信號(hào)。入射激光的強(qiáng)度調(diào)制具有與換能器相同的諧振頻率。產(chǎn)生的聲波在專門設(shè)計(jì)的一維聲諧振器中增強(qiáng)了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量了三種不同配置的 C 2 H 2線在 1531.6 nm 處的 PAS-1f 信號(hào)。組合的光聲放大提供了10 5的增強(qiáng)因子。用不同的C 2 H 2 /N 2混合物測(cè)試傳感器的線性響應(yīng)，傳感器在1 ppb到50 ppm范圍內(nèi)表現(xiàn)出非常好的線性響應(yīng)。進(jìn)行 Allan-Werle 偏差分析以評(píng)估長(zhǎng)期穩(wěn)定性和最小檢測(cè)限。在平均時(shí)間為 300 s 時(shí)，噪聲等效濃度 (NEC) 可以提高到 0.5 ppt，導(dǎo)致 NEA 系數(shù)為 5.7×10 -13 cm -1. 結(jié)果，所提出的光聲氣體傳感器實(shí)現(xiàn)了1.0×10 8的動(dòng)態(tài)范圍。

與最先進(jìn)的PAS氣體傳感器相比，開發(fā)的傳感器實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，為科學(xué)探索提供了有力的工具。