椭球形共振光声池设计及性能评估

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。

1 仿真部分

圆柱形是目前市面上最常见、使用最多的光声池结构,而椭球形光声池是在圆柱形结构的基础上作的优化改进,其谐振腔呈椭球形分布。为了更好地模拟椭球形光声池,采用的是COMSOL 软件,它是一款设计和优化实际工程问题的多物理场仿真软件。图1(a)是利用COMSOL 仿真软件建立的椭球形光声池模型,模型全长200 mm,谐振腔半径5 mm,长100 mm,与缓冲池连接处半径3 mm,两侧缓冲池的长度均为50 mm,缓冲池的半径为12.5 mm;图1(b)是对模型进行三角形网格划分之后的效果图,其中网格划分最大单元8 mm,最小单元0.5 mm。

图1 椭球形光声池(a)模型及(b)网格划分效果图Fig.1 (a)The model and(b)grid division effect diagram of ellipsoidal photoacoustic cell

经过COMSOL 软件划分网格后,计算得到椭球形共振光声池频率响应曲线如图2(a)所示,可见在500～2500 Hz 的频率变化范围内,椭球形光声池频率响应曲线呈现出先增大后减小的趋势,最大值出现在1350 Hz 处,即椭球形光声池的共振频率为1350 Hz。将椭球形光声池激光入射频率调制到1350 Hz 来模拟光声池共振模式,模拟计算出光声池内声压分布情况如图2(b)所示,可见椭球形共振光声池的声压在光声池的几何中心位置最大,最大声压可达到2.3×10-5Pa。根据仿真结果,相比于圆柱形光声池理论上1650 Hz 的共振频率,椭球形光声池在理论上具有更小的共振频率。

图2 椭球形光声池(a)频率响应曲线及(b)声压分布Fig.2 (a)Frequency response curve and(b)the acoustic pressure distribution of ellipsoidal photoacoustic cell

2 实 验

2.1 吸收线选择

在标准大气压、室温296 K 的条件下,通过HITRAN 分子光谱数据库查阅在1526～1538 nm 波长范围内C2H2和纯N2的吸收光谱数据,计算出5×10-8C2H2和纯N2在1526～1538 nm 范围内的吸收系数谱线,其结果如图3 所示。根据谱线的选取原则,选择波长1532.83 nm 的吸收谱线作为C2H2气体的测量谱线;选择中心波长1531.5 nm、可调谐范围2 nm、最大输出功率20 mW 的可调谐分布反馈式半导体激光器(TL-DFB-B-A82-W1531.5-SA)作为激光光源。

2.2 实验装置

基于椭球形共振光声池搭建的光声光谱C2H2痕量气体检测系统结构示意图如图4 所示,主要包括气体混合系统、光源、椭球形共振光声池、声波传感器、数据采集系统等部分。气体混合系统主要由质量流量计和流量显示仪组成,通过改变流量显示仪的控制旋钮来控制质量流量计对C2H2标准气进行浓度配比和流速控制,从而将一定浓度的C2H2气体从进气口通入光声池。DFB 半导体激光器作为光声信号的激发光源,设置激光器的波长调制频率为椭球形共振光声池共振频率的一半,通过改变激光器激励电流的大小,达到控制激光器输出波长的目的,使激光器工作在1532.83 nm,将经过准直器准直后的入射激光射入光声池内部。F-P 光纤声波传感器作为声波探测装置来检测光声池内部产生的声信号,经过数据采集系统将声信号放大解调处理后获取光声信号的强度。

图4 光声光谱检测系统结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the photoacoustic spectroscopy detection system

3 实验结果与讨论

3.1 共振频率标定和线性拟合

共振频率是评价光声池性能指标的关键性因素,因此光声池共振频率的标定是光声光谱检测系统一个必不可少的环节。缓慢低速通入5×10-10C2H2标准气来对椭球形光声池共振频率进行标定,使激光器调制频率从650 Hz 逐渐变化到710 Hz,记录检测到的二次谐波(2f)信号幅值大小,得到椭球形光声池2f信号峰值和调制频率的关系如图5 所示。由图5 可知,随着调制频率的增加,2f信号峰值呈现出先增大后减小的变化趋势,当调制频率为682 Hz 时,可以看到此时2f信号最大,因此所设计椭球形光声池的共振频率为1364 Hz,与仿真理论计算值1350 Hz 较为接近,后期分析存在小幅度差异的主要原因可能是椭球形光声池加工难度大,采用分段加工工艺而造成了一定误差。图5 中频率响应曲线的半宽度Δf=15 Hz,根据公式Q=f/Δf,得到椭球形光声池的实际品质因数为45.5。

由图5 可得,激光器的正弦调制频率应设置在682 Hz,锁相积分时间1000 ms。利用椭球形光声池对不同浓度下的C2H2气体进行检测,得到光声信号二次谐波结果如图6 所示。由图6 可以看出随着C2H2气体浓度逐渐增大,2f信号峰值也呈现出升高的趋势。同时可知,不同浓度下光声信号幅值与C2H2气体浓度之间呈良好的线性变化,椭球形光声池线性系数达到0.99942,线性度很好。因此,通过图6 的线性变化可以建立光声光谱系统浓度和光声信号的函数关系。

图5 椭球形光声池2 f 信号与调制频率之间的关系Fig.5 Relation between 2 f signal and modulation frequency of the ellipsoidal photoacoustic cell

图6 椭球形光声池C2H2 浓度与2f 信号之间的关系Fig.6 Relation between C2H2 concentration and 2f signal of the ellipsoidal photoacoustic cell

3.2 信噪比和检测灵敏度

利用5×10-8的C2H2样本评估系统的检测灵敏度,所测得二次谐波下的光声信号如图7 所示。图7 中二次谐波的峰值为1.62 μV,系统的本底噪声经过估算标准差为0.0476,因此采用椭球形光声池的光声光谱系统的信噪比为34,同时可以确定在常温常压下,光声光谱检测系统的极限灵敏度为1.47×10-9。表1 将椭球形光声池与其他已发表的使用一阶纵向共振光声池的系统实验结果进行了对比。

图7 椭球形光声池5×10-8 C2H2 气体光声信号Fig.7 5×10-8 C2H2 gas photoacoustic signal of the ellipsoidal photoacoustic cell

表1 与其他已发表的相应系统参数的对比Table 1 Comparison with other reported corresponding system parameters

4 结论

在圆柱形光声池的基础上提出了一种新型椭球形共振光声池,利用COMSOL 有限元分析软件对椭球形光声池共振频率、内部声压分布等参数进行仿真。采用椭球形光声池搭建了光声光谱检测系统,对椭球形光声池进行了一系列实验分析,标定出椭球光声池的实际共振频率为1364 Hz,同时计算出椭球形光声池品质因数为45.5,得到光声光谱系统浓度和光声信号变化的函数关系图,然后通过光声信号和噪声分析,得到椭球形光声池的光声光谱检测系统信噪比为34,检测极限灵敏度为1.47×10-9。实验结果充分证明了所设计的椭球形共振光声池对光声光谱检测系统灵敏度有一定的提高。