橢球形共振光聲池設(shè)計(jì)及性能評(píng)估

張楚,潘浩,尹翔宇,王巧云*

(1 東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;2 微納精密光學(xué)傳感與檢測(cè)技術(shù)河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 秦皇島 066400)

0 引言

光聲光譜技術(shù)是利用光聲效應(yīng)的一種光譜技術(shù),是分子光譜學(xué)的一個(gè)重要分支。由于其具有檢測(cè)靈敏度高、可選擇性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)[1-3]、氣體泄漏檢測(cè)[4-8]、醫(yī)學(xué)臨床診斷[9-11]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

近年來,激光技術(shù)不斷發(fā)展,光聲光譜技術(shù)也隨之得到高速發(fā)展。作為光聲效應(yīng)的產(chǎn)生載體,光聲池的設(shè)計(jì)是影響光聲光譜系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要因素,因此設(shè)計(jì)合理的光聲池結(jié)構(gòu)對(duì)于提高光聲信號(hào)的大小和光聲檢測(cè)的信噪比尤為重要。2012 年,Cao 等[12]將QEPAS 技術(shù)應(yīng)用于C2H2氣體檢測(cè)中,得到2×10-6的檢測(cè)靈敏度;2014 年,Bauer 等[13]結(jié)合3D 打印技術(shù)制作了微型光聲池,在小功率DFB 激光二極管的激勵(lì)下,獲得2.5×10-7的C2H2氣體檢測(cè)靈敏度;2016 年,Liu 等[14]用T 型光聲池對(duì)CO2等氣體實(shí)現(xiàn)了低共振頻率檢測(cè);2018 年Gong[15]提出了一種半開腔式一階縱向共振光聲池結(jié)構(gòu),對(duì)C2H2氣體檢測(cè)的靈敏度下限達(dá)到8.1×10-7。

本文對(duì)圓柱形光聲池諧振腔部分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),提出一種新型橢球形共振光聲池,并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。通過COMSOL 有限元分析軟件仿真橢球形光聲池的聲學(xué)特性,對(duì)光聲池共振頻率、內(nèi)部聲壓分布等參數(shù)進(jìn)行了探討分析。在仿真分析的基礎(chǔ)上,搭建出橢球形光聲池光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)光聲池共振頻率進(jìn)行標(biāo)定,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)得到光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比和檢測(cè)靈敏度。

1 仿真部分

圓柱形是目前市面上最常見、使用最多的光聲池結(jié)構(gòu),而橢球形光聲池是在圓柱形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作的優(yōu)化改進(jìn),其諧振腔呈橢球形分布。為了更好地模擬橢球形光聲池,采用的是COMSOL 軟件,它是一款設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)際工程問題的多物理場仿真軟件。圖1(a)是利用COMSOL 仿真軟件建立的橢球形光聲池模型,模型全長200 mm,諧振腔半徑5 mm,長100 mm,與緩沖池連接處半徑3 mm,兩側(cè)緩沖池的長度均為50 mm,緩沖池的半徑為12.5 mm;圖1(b)是對(duì)模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分之后的效果圖,其中網(wǎng)格劃分最大單元8 mm,最小單元0.5 mm。

圖1 橢球形光聲池(a)模型及(b)網(wǎng)格劃分效果圖Fig.1 (a)The model and(b)grid division effect diagram of ellipsoidal photoacoustic cell

經(jīng)過COMSOL 軟件劃分網(wǎng)格后,計(jì)算得到橢球形共振光聲池頻率響應(yīng)曲線如圖2(a)所示,可見在500～2500 Hz 的頻率變化范圍內(nèi),橢球形光聲池頻率響應(yīng)曲線呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在1350 Hz 處,即橢球形光聲池的共振頻率為1350 Hz。將橢球形光聲池激光入射頻率調(diào)制到1350 Hz 來模擬光聲池共振模式,模擬計(jì)算出光聲池內(nèi)聲壓分布情況如圖2(b)所示,可見橢球形共振光聲池的聲壓在光聲池的幾何中心位置最大,最大聲壓可達(dá)到2.3×10-5Pa。根據(jù)仿真結(jié)果,相比于圓柱形光聲池理論上1650 Hz 的共振頻率,橢球形光聲池在理論上具有更小的共振頻率。

圖2 橢球形光聲池(a)頻率響應(yīng)曲線及(b)聲壓分布Fig.2 (a)Frequency response curve and(b)the acoustic pressure distribution of ellipsoidal photoacoustic cell

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 吸收線選擇

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、室溫296 K 的條件下,通過HITRAN 分子光譜數(shù)據(jù)庫查閱在1526～1538 nm 波長范圍內(nèi)C2H2和純N2的吸收光譜數(shù)據(jù),計(jì)算出5×10-8C2H2和純N2在1526～1538 nm 范圍內(nèi)的吸收系數(shù)譜線,其結(jié)果如圖3 所示。根據(jù)譜線的選取原則,選擇波長1532.83 nm 的吸收譜線作為C2H2氣體的測(cè)量譜線;選擇中心波長1531.5 nm、可調(diào)諧范圍2 nm、最大輸出功率20 mW 的可調(diào)諧分布反饋式半導(dǎo)體激光器(TL-DFB-B-A82-W1531.5-SA)作為激光光源。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

基于橢球形共振光聲池搭建的光聲光譜C2H2痕量氣體檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示,主要包括氣體混合系統(tǒng)、光源、橢球形共振光聲池、聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分。氣體混合系統(tǒng)主要由質(zhì)量流量計(jì)和流量顯示儀組成,通過改變流量顯示儀的控制旋鈕來控制質(zhì)量流量計(jì)對(duì)C2H2標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行濃度配比和流速控制,從而將一定濃度的C2H2氣體從進(jìn)氣口通入光聲池。DFB 半導(dǎo)體激光器作為光聲信號(hào)的激發(fā)光源,設(shè)置激光器的波長調(diào)制頻率為橢球形共振光聲池共振頻率的一半,通過改變激光器激勵(lì)電流的大小,達(dá)到控制激光器輸出波長的目的,使激光器工作在1532.83 nm,將經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后的入射激光射入光聲池內(nèi)部。F-P 光纖聲波傳感器作為聲波探測(cè)裝置來檢測(cè)光聲池內(nèi)部產(chǎn)生的聲信號(hào),經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將聲信號(hào)放大解調(diào)處理后獲取光聲信號(hào)的強(qiáng)度。

圖4 光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the photoacoustic spectroscopy detection system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 共振頻率標(biāo)定和線性擬合

共振頻率是評(píng)價(jià)光聲池性能指標(biāo)的關(guān)鍵性因素,因此光聲池共振頻率的標(biāo)定是光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。緩慢低速通入5×10-10C2H2標(biāo)準(zhǔn)氣來對(duì)橢球形光聲池共振頻率進(jìn)行標(biāo)定,使激光器調(diào)制頻率從650 Hz 逐漸變化到710 Hz,記錄檢測(cè)到的二次諧波(2f)信號(hào)幅值大小,得到橢球形光聲池2f信號(hào)峰值和調(diào)制頻率的關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可知,隨著調(diào)制頻率的增加,2f信號(hào)峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì),當(dāng)調(diào)制頻率為682 Hz 時(shí),可以看到此時(shí)2f信號(hào)最大,因此所設(shè)計(jì)橢球形光聲池的共振頻率為1364 Hz,與仿真理論計(jì)算值1350 Hz 較為接近,后期分析存在小幅度差異的主要原因可能是橢球形光聲池加工難度大,采用分段加工工藝而造成了一定誤差。圖5 中頻率響應(yīng)曲線的半寬度Δf=15 Hz,根據(jù)公式Q=f/Δf,得到橢球形光聲池的實(shí)際品質(zhì)因數(shù)為45.5。

由圖5 可得,激光器的正弦調(diào)制頻率應(yīng)設(shè)置在682 Hz,鎖相積分時(shí)間1000 ms。利用橢球形光聲池對(duì)不同濃度下的C2H2氣體進(jìn)行檢測(cè),得到光聲信號(hào)二次諧波結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出隨著C2H2氣體濃度逐漸增大,2f信號(hào)峰值也呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)。同時(shí)可知,不同濃度下光聲信號(hào)幅值與C2H2氣體濃度之間呈良好的線性變化,橢球形光聲池線性系數(shù)達(dá)到0.99942,線性度很好。因此,通過圖6 的線性變化可以建立光聲光譜系統(tǒng)濃度和光聲信號(hào)的函數(shù)關(guān)系。

圖5 橢球形光聲池2 f 信號(hào)與調(diào)制頻率之間的關(guān)系Fig.5 Relation between 2 f signal and modulation frequency of the ellipsoidal photoacoustic cell

圖6 橢球形光聲池C2H2 濃度與2f 信號(hào)之間的關(guān)系Fig.6 Relation between C2H2 concentration and 2f signal of the ellipsoidal photoacoustic cell

3.2 信噪比和檢測(cè)靈敏度

利用5×10-8的C2H2樣本評(píng)估系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度,所測(cè)得二次諧波下的光聲信號(hào)如圖7 所示。圖7 中二次諧波的峰值為1.62 μV,系統(tǒng)的本底噪聲經(jīng)過估算標(biāo)準(zhǔn)差為0.0476,因此采用橢球形光聲池的光聲光譜系統(tǒng)的信噪比為34,同時(shí)可以確定在常溫常壓下,光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)的極限靈敏度為1.47×10-9。表1 將橢球形光聲池與其他已發(fā)表的使用一階縱向共振光聲池的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖7 橢球形光聲池5×10-8 C2H2 氣體光聲信號(hào)Fig.7 5×10-8 C2H2 gas photoacoustic signal of the ellipsoidal photoacoustic cell

表1 與其他已發(fā)表的相應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的對(duì)比Table 1 Comparison with other reported corresponding system parameters

4 結(jié)論

在圓柱形光聲池的基礎(chǔ)上提出了一種新型橢球形共振光聲池,利用COMSOL 有限元分析軟件對(duì)橢球形光聲池共振頻率、內(nèi)部聲壓分布等參數(shù)進(jìn)行仿真。采用橢球形光聲池搭建了光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)橢球形光聲池進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)分析,標(biāo)定出橢球光聲池的實(shí)際共振頻率為1364 Hz,同時(shí)計(jì)算出橢球形光聲池品質(zhì)因數(shù)為45.5,得到光聲光譜系統(tǒng)濃度和光聲信號(hào)變化的函數(shù)關(guān)系圖,然后通過光聲信號(hào)和噪聲分析,得到橢球形光聲池的光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)信噪比為34,檢測(cè)極限靈敏度為1.47×10-9。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了所設(shè)計(jì)的橢球形共振光聲池對(duì)光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度有一定的提高。