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

近年來(lái)，人們利用光聲信號(hào)強(qiáng)度與激發(fā)光源強(qiáng)度呈正比的特性，通過(guò)增強(qiáng)激發(fā)光源的強(qiáng)度來(lái)提升被吸收的有效激光能量，以激發(fā)更強(qiáng)的光聲信號(hào)，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(lèi)方法可以分為功率放大型、外腔功率增強(qiáng)型、激光器內(nèi)腔功率增強(qiáng)型幾類(lèi)光聲光譜技術(shù)。

功率增強(qiáng)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(cè)對(duì)大功率激勵(lì)光源的需求，但研究人員在實(shí)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(lèi)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(jìn)了光纖放大器的開(kāi)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(duì)應(yīng)的980 nm或1480 nm大功率激光器作為抽運(yùn)激光，具有高增益、低噪聲、偏振無(wú)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(bǔ)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(qiáng)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(lèi)提升激光功率的方法原理清晰、易實(shí)現(xiàn)。但功率放大器的性能決定了對(duì)激光器功率放大的上限和激光器可放大的波長(zhǎng)。

為突破光放大器性能對(duì)功率的限制，研究人員嘗試借助多光程腔或外腔增強(qiáng)的方法來(lái)提高聲諧振腔內(nèi)的功率。同時(shí)，多光程腔內(nèi)激光的多次往返特性使得激光器的光強(qiáng)得以積累，因此多光程腔可以用來(lái)提升光聲光譜氣體傳感器的探測(cè)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(qiáng)的光聲信號(hào)，通過(guò)優(yōu)化腔體設(shè)計(jì)可以將能量積累的倍數(shù)進(jìn)一步提高到幾十倍。

研究者們已通過(guò)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(zhǎng)與線形增強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制激發(fā)光聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光聲信號(hào)100倍的增強(qiáng)效果。

2014年，Italian National Research Council的Borri等結(jié)合腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)和石英音叉設(shè)計(jì)了小型蝶形增強(qiáng)腔(總體積約為12cm³)，通過(guò)壓電陶瓷(PZT)調(diào)節(jié)腔體長(zhǎng)度將增強(qiáng)腔的模式鎖定在激光器波長(zhǎng)上。與其他腔增強(qiáng)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(shí)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(lái)驅(qū)動(dòng)。

03、激光器內(nèi)腔增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)

激光器類(lèi)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(yuǎn)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(yàn)證了這種方法的可行性，Harren等則實(shí)現(xiàn)了真正意義上的激光器內(nèi)腔增強(qiáng)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(lèi)型的激光器，但其體積龐大且價(jià)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(lèi)技術(shù)只被用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的研究?；谄渌?lèi)型激光器的內(nèi)腔光聲光譜技術(shù)也已有報(bào)道，2017年，香港中文大學(xué)Wang等將激光器內(nèi)腔增強(qiáng)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(qiáng)型光聲光譜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，適合在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步推廣。

光纖激光器內(nèi)腔增強(qiáng)型光聲光譜

在光聲光譜氣體檢測(cè)領(lǐng)域，由于光纖激光器獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將激光器內(nèi)腔增強(qiáng)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(jiǎn)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(qiáng)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(jìn)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(lèi)，為傳感領(lǐng)域提供了一大批性能優(yōu)越、價(jià)格合適的儀器設(shè)備。選擇摻鉺光纖激光器作為光源來(lái)介紹光纖激光器內(nèi)腔增強(qiáng)光聲光譜，主要有以下兩個(gè)原因：

在光纖通信領(lǐng)域，1.55 μm(C波段)是一個(gè)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(duì)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(lì)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(duì)激光器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè))。因此，在光纖激光器內(nèi)腔光聲光譜系統(tǒng)中，這一特點(diǎn)可以減小腔內(nèi)損耗，進(jìn)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(hào)的產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于氣體分子對(duì)激光的周期性吸收，因此需要對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制才能產(chǎn)生光聲信號(hào)。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(zhǎng)調(diào)制或強(qiáng)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(duì)應(yīng)，例如:波長(zhǎng)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(hào)和二次諧波信號(hào)； 而強(qiáng)度調(diào)制的頻率一般等于f0，以激發(fā)出較強(qiáng)的光聲信號(hào)。

當(dāng)光纖激光器作為光源應(yīng)用于傳感時(shí)，其起振波長(zhǎng)通常由光纖可調(diào)諧濾波器或光纖光柵(FBG)等器件主動(dòng)控制。部分波長(zhǎng)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(jià)格普遍較高，而且性能不一。

最常見(jiàn)的激光強(qiáng)度調(diào)制方式是利用斬波器或光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)激光的周期性通斷，而光纖激光器內(nèi)如果采用類(lèi)似的器件對(duì)激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，就可獲得高功率的脈沖激光。這是因?yàn)榍粌?nèi)激光被周期性切斷時(shí)，對(duì)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(shí)，就會(huì)形成高功率調(diào)Q激光。

03、聲波檢測(cè)技術(shù)

聲波的信噪比是決定光聲光譜探測(cè)靈敏度的重要因素，這主要依賴(lài)于聲波檢測(cè)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(jiàn)聲波傳感器主要包括電動(dòng)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(dòng)式麥克風(fēng)通過(guò)聲膜切割磁感線實(shí)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(guò)靜電感應(yīng)來(lái)實(shí)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(lèi)聲波傳感器容易受到環(huán)境聲學(xué)噪聲的影響，很難實(shí)現(xiàn)高靈敏度聲波探測(cè)，其檢測(cè)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(lái)探測(cè)聲波，用敏銳(赫茲量級(jí)諧振帶寬)的聲波共振器件替代共振光聲池來(lái)積累聲波能量。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(wú)法檢測(cè)低弛豫率的氣體分子，也無(wú)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(hào)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(duì)石英音叉進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證氣體分子濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性。盡管微音器和石英音叉都能實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波的高靈敏傳感，但使用過(guò)程中的帶電屬性限制了其在強(qiáng)電磁干擾區(qū)或探測(cè)目標(biāo)為易燃、易爆氣體時(shí)的應(yīng)用。

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

04、優(yōu)缺點(diǎn)分析

光纖激光器內(nèi)腔增強(qiáng)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(diǎn)，是一種新型的氣體傳感技術(shù)。除了無(wú)背景檢測(cè)、無(wú)需任何光電探測(cè)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(wú)激光輸出的光源結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

激光器內(nèi)腔增強(qiáng)型光聲光譜技術(shù)可能存在的一個(gè)缺點(diǎn)是，其可探測(cè)氣體濃度的線性區(qū)小于外腔光聲光譜。這主要是因?yàn)槟繕?biāo)氣體分子對(duì)激光器腔內(nèi)激光的吸收貢獻(xiàn)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(shí)會(huì)有所下降，影響了光聲信號(hào)與氣體濃度的線性關(guān)系。目前，可通過(guò)縮短腔內(nèi)有效吸收距離等手段來(lái)降低內(nèi)腔損耗對(duì)線性區(qū)間的影響，使其線性探測(cè)范圍更接近外腔光聲光譜法。