電閃雷鳴、震耳欲聾、輕聲細語、未見其人，先聞其聲等不僅是我們耳熟能詳?shù)脑~語，也描述了生活中的光聲現(xiàn)象。

近年來，人們利用光聲信號強度與激發(fā)光源強度呈正比的特性，通過增強激發(fā)光源的強度來提升被吸收的有效激光能量，以激發(fā)更強的光聲信號，從而提高基于光聲光譜技術(shù)的氣體傳感器性能。按照其工作原理此類方法可以分為功率放大型、外腔功率增強型、激光器內(nèi)腔功率增強型幾類光聲光譜技術(shù)。

功率增強型光聲光譜氣體傳感

01、功率放大型光聲光譜技術(shù)

以固體激光器和氣體激光器為代表的大功率激光器的發(fā)展，基本上滿足了光聲光譜氣體檢測對大功率激勵光源的需求，但研究人員在實際需求中傾向于使用結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、穩(wěn)定性好的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其中以響應(yīng)速度快、窄線寬的分布反饋式半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用最為廣泛，但該類型激光器的輸出功率只有十幾毫瓦，限制了光聲光譜氣體傳感器的性能。

光纖通信行業(yè)的發(fā)展大大促進了光纖放大器的開發(fā)和應(yīng)用。

摻鉺光纖放大器(EDFA)的基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示(WDM表示波分復(fù)用器)，其中摻鉺光纖(EDF)是EDFA的核心器件，在石英光纖中摻雜入微量Er³⁺制成。EDFA通常選用與較大Er³⁺吸收截面相對應(yīng)的980 nm或1480 nm大功率激光器作為抽運激光，具有高增益、低噪聲、偏振無關(guān)、光纖兼容性好、功率增益穩(wěn)定等性能。光放大技術(shù)彌補了近紅外波段激發(fā)光源的低功率和吸收譜線的弱吸收強度。

圖1 (a) EDFA結(jié)構(gòu)圖;

(b)功率放大型光聲光譜技術(shù)的基本原理

此類提升激光功率的方法原理清晰、易實現(xiàn)。但功率放大器的性能決定了對激光器功率放大的上限和激光器可放大的波長。

為突破光放大器性能對功率的限制，研究人員嘗試借助多光程腔或外腔增強的方法來提高聲諧振腔內(nèi)的功率。同時，多光程腔內(nèi)激光的多次往返特性使得激光器的光強得以積累，因此多光程腔可以用來提升光聲光譜氣體傳感器的探測靈敏度。

多光程聲諧振腔可以有效積累光能以激發(fā)出較強的光聲信號，通過優(yōu)化腔體設(shè)計可以將能量積累的倍數(shù)進一步提高到幾十倍。

研究者們已通過采用反饋技術(shù)Rossi等采用反饋技術(shù)將激光器的出射波長與線形增強腔(法布里-珀羅腔)的腔模式鎖定，在法布里-珀羅腔內(nèi)積累激光能量，利用強度調(diào)制激發(fā)光聲信號，實現(xiàn)了對光聲信號100倍的增強效果。

2014年，Italian National Research Council的Borri等結(jié)合腔增強吸收光譜技術(shù)和石英音叉設(shè)計了小型蝶形增強腔(總體積約為12cm³)，通過壓電陶瓷(PZT)調(diào)節(jié)腔體長度將增強腔的模式鎖定在激光器波長上。與其他腔增強型光聲光譜不同，此技術(shù)巧妙地利用了壓電陶瓷的有限反饋帶寬，實現(xiàn)了激光器的慢速掃描和快速調(diào)制均可由加載于激光器上的電流來驅(qū)動。

03、激光器內(nèi)腔增強型光聲光譜技術(shù)

激光器類型多樣，包括固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器以及自由電子激光器等。任何激光器腔內(nèi)的光功率要遠高于其輸出光功率，這一特性為光聲光譜技術(shù)滿足大功率激光的需求提供了一種思路，即將光聲池置于激光器的光諧振腔內(nèi)部，充分利用激光器腔內(nèi)的高功率。

1987年，R?per等提出并驗證了這種方法的可行性，Harren等則實現(xiàn)了真正意義上的激光器內(nèi)腔增強型光聲光譜氣體傳感。

雖然氣體激光器腔內(nèi)的功率非常大，且單色性要好于其他一般類型的激光器，但其體積龐大且價格昂貴，限制了氣體激光器內(nèi)腔光聲光譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用。截至目前，該類技術(shù)只被用于實驗室環(huán)境下的研究?；谄渌愋图す馄鞯膬?nèi)腔光聲光譜技術(shù)也已有報道，2017年，香港中文大學(xué)Wang等將激光器內(nèi)腔增強型光聲光譜技術(shù)的研究拓展到了光纖激光器領(lǐng)域。光纖激光器內(nèi)腔增強型光聲光譜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，成本低，適合在實際應(yīng)用中進一步推廣。

光纖激光器內(nèi)腔增強型光聲光譜

在光聲光譜氣體檢測領(lǐng)域，由于光纖激光器獨特的技術(shù)優(yōu)勢，將激光器內(nèi)腔增強型光聲光譜技術(shù)與成熟的光纖激光器技術(shù)結(jié)合，在簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低操作難度、提升氣體傳感的便攜性及降低應(yīng)用成本等方面，具有十分重要的意義。以摻鉺光纖激光器為例，為大家介紹光纖激光器內(nèi)腔增強型光聲光譜技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的最新進展。

01、 激光技術(shù)

光纖通信行業(yè)的迅速發(fā)展大大豐富了通信波段內(nèi)光學(xué)器件的種類，為傳感領(lǐng)域提供了一大批性能優(yōu)越、價格合適的儀器設(shè)備。選擇摻鉺光纖激光器作為光源來介紹光纖激光器內(nèi)腔增強光聲光譜，主要有以下兩個原因：

在光纖通信領(lǐng)域，1.55 μm(C波段)是一個重要的低損耗窗口，摻鉺光纖激光器可提供這一波段的光源；

C波段覆蓋1520~1570 nm的光，在這一波段內(nèi)存在多種氣體分子的吸收譜線。

對于幾乎所有的激光器而言，激光輸出是腔損耗的重要組成。與其他激光器不同，激光器內(nèi)腔光聲光譜技術(shù)需要的激勵光源為激光器諧振腔內(nèi)部形成的激光，不需要任何激光輸出(少量的激光輸出僅用作對激光器內(nèi)部運行狀態(tài)的監(jiān)測)。因此，在光纖激光器內(nèi)腔光聲光譜系統(tǒng)中，這一特點可以減小腔內(nèi)損耗，進一步提升激光諧振腔內(nèi)的有效光功率。

光聲池中光聲信號的產(chǎn)生對應(yīng)于氣體分子對激光的周期性吸收，因此需要對激光器進行調(diào)制才能產(chǎn)生光聲信號。在光聲光譜氣體傳感領(lǐng)域，調(diào)制激光器的通用技術(shù)方案是波長調(diào)制或強度調(diào)制。激光器的調(diào)制頻率一般與聲諧振腔的共振頻率f0相對應(yīng)，例如:波長調(diào)制頻率一般等于f0或f0/2，以分別激發(fā)出光聲一次諧波信號和二次諧波信號； 而強度調(diào)制的頻率一般等于f0，以激發(fā)出較強的光聲信號。

當(dāng)光纖激光器作為光源應(yīng)用于傳感時，其起振波長通常由光纖可調(diào)諧濾波器或光纖光柵(FBG)等器件主動控制。部分波長調(diào)制技術(shù)也可以直接應(yīng)用于光纖激光器內(nèi)腔光聲光譜系統(tǒng)，但商用光纖可調(diào)諧濾波器的價格普遍較高，而且性能不一。

最常見的激光強度調(diào)制方式是利用斬波器或光開關(guān)實現(xiàn)激光的周期性通斷，而光纖激光器內(nèi)如果采用類似的器件對激光進行強度調(diào)制，就可獲得高功率的脈沖激光。這是因為腔內(nèi)激光被周期性切斷時，對應(yīng)諧振腔內(nèi)的腔損耗被周期性改變，當(dāng)腔內(nèi)摻鉺光纖在高損耗狀態(tài)下積累的能量在低損耗狀態(tài)快速釋放而發(fā)出激光時，就會形成高功率調(diào)Q激光。

03、聲波檢測技術(shù)

聲波的信噪比是決定光聲光譜探測靈敏度的重要因素，這主要依賴于聲波檢測技術(shù)，特別是聲傳感器件的性能。當(dāng)前，應(yīng)用于光聲光譜的常見聲波傳感器主要包括電動式/電容式麥克風(fēng)、石英音叉和激光干涉式聲壓傳感器，如圖8所示。

電動式麥克風(fēng)通過聲膜切割磁感線實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，是最早被用于光聲光譜系統(tǒng)的聲波傳感器，但其頻率響應(yīng)有限。

電容式麥克風(fēng)主要通過靜電感應(yīng)來實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)更為緊湊，應(yīng)用更為廣泛。但由于其較寬的頻率響應(yīng)，這類聲波傳感器容易受到環(huán)境聲學(xué)噪聲的影響，很難實現(xiàn)高靈敏度聲波探測，其檢測環(huán)境通常需保持極安靜或配合差分式光聲池使用。

基于石英音叉的光聲光譜(QEPAS)技術(shù)是光聲氣體傳感領(lǐng)域的重大革新，采用石英音叉替代麥克風(fēng)來探測聲波，用敏銳(赫茲量級諧振帶寬)的聲波共振器件替代共振光聲池來積累聲波能量。經(jīng)過十多年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷等。但當(dāng)前的商用石英音叉無法檢測低弛豫率的氣體分子，也無法采用發(fā)光二極管(LED)、光纖放大激光、太赫茲激光等光束質(zhì)量不高的光源。

另外，光聲信號的大小與石英音叉的諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)等參量相關(guān)，需要經(jīng)常對石英音叉進行校準，以保證氣體分子濃度測量的準確性。盡管微音器和石英音叉都能實現(xiàn)對聲波的高靈敏傳感，但使用過程中的帶電屬性限制了其在強電磁干擾區(qū)或探測目標為易燃、易爆氣體時的應(yīng)用。

激光干涉式聲壓檢測是另外一類可用于光聲光譜的全光型聲傳感器。這類聲傳感器通過干涉解調(diào)能實現(xiàn)非常高的探測靈敏度，但因制造工藝復(fù)雜，目前的研究大都限于實驗室內(nèi)，尚未得到大規(guī)模應(yīng)用。

04、優(yōu)缺點分析

光纖激光器內(nèi)腔增強型光聲光譜結(jié)合了光聲光譜技術(shù)和光纖激光器技術(shù)的優(yōu)點，是一種新型的氣體傳感技術(shù)。除了無背景檢測、無需任何光電探測器，以及避免了吸收光譜技術(shù)中的干涉噪聲外，還具有高功率激發(fā)光源、無激光輸出的光源結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊的獨特優(yōu)點。

激光器內(nèi)腔增強型光聲光譜技術(shù)可能存在的一個缺點是，其可探測氣體濃度的線性區(qū)小于外腔光聲光譜。這主要是因為目標氣體分子對激光器腔內(nèi)激光的吸收貢獻了一部分腔損耗，使得內(nèi)腔光功率在腔內(nèi)氣體濃度高時會有所下降，影響了光聲信號與氣體濃度的線性關(guān)系。目前，可通過縮短腔內(nèi)有效吸收距離等手段來降低內(nèi)腔損耗對線性區(qū)間的影響，使其線性探測范圍更接近外腔光聲光譜法。