激光光谱气体传感技术在环境监测、海洋科学、生物研究、医疗诊断等领域受到越来越广泛的关注，随着应用需求的深入，对于气体传感器的性能也提出了越来越高的要求。目前，腔衰荡光谱(CRDS)是商业化程度最高的超高灵敏探测技术，但由于其高昂的成本、较大的光学腔气室和有限的测量动态范围，限制了其应用范围。
基于光声光谱(PAS)的气体传感器具有灵敏度高、成本低和体积紧凑等优点，但相对于腔衰荡技术，目前最先进的光声光谱系统仍有 2–3 个数量级的灵敏度差异，而且动态范围也限制在5个数量级，无法满足碳 14 检测和海洋溶解气测量等应用的需求。
为了突破该技术瓶颈，由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 王强 研究员团队和香港中文大学 任伟 教授团队，报道了一种具有超高灵敏度和超大动态范围的光声气体传感技术。在这项工作中，利用声学-光学双驻波效应，在 6 厘米的光学腔内，实现了 5 个数量级的信号增强。以乙炔作为目标气体，浓度检测限最低可达 0.5 ppt (parts per trillion，万亿分之一)，动态范围覆盖8个数量级，达到了目前光声光谱气体传感领域前所未有的技术指标。
该研究成果以“Doubly resonant sub-ppt photoacoustic gas detection with eight decades dynamic range”为题发表在 Photoacoustics。其中，香港中文大学的王震博士为该论文的第一作者，王强研究员和任伟教授为共同通讯作者，意大利国家光学中心和意大利巴里理工大学的团队提供了关键的声波探测器件。
双驻波增强
该技术的原理如图1所示，核心气体传感元件包括光学谐振腔、声学谐振腔和声波探测器。当入射激光与光学谐振腔共振时，在谐振腔腔镜之间形成光学驻波。高精细度的光学谐振腔可以使激光功率显著提高 3 个数量级，直接增强光声信号。激光强度调制产生的声波会在专门设计的声学谐振腔内形成声学驻波，从而进一步被放大 2 个数量级。产生的声波与探测器件石英音叉具有相同的谐振频率，从而激发音叉震动，通过石英的压电效应转化为最终待测的电信号。
图1：双共振 PAS 的工作原理
在原理验证中，研究人员通过测量不同浓度的 C₂H₂ 验证了传感器的线性响应。图2(a)显示了光声信号幅值随气体浓度的变化，在 1 ppb – 50 ppm 区间该传感器具有良好的线性响应。
图2：传感器性能评估：(a)线性响应;(b)Allan-Werle 方差分析
为了评估其长期稳定性和探测灵敏度，科研人员对该 PAS 系统进行了 Allan-Werle 方差分析，结果如图2(b)所示。在 300 秒的积分时间下，传感器的探测浓度下限达到 0.5 ppt，对应的噪声等效吸收系数为 10⁻¹³ cm⁻¹。基于传感器探测浓度的上下限，该气体传感器的动态范围达到 8 个数量级。
与目前最先进的光声光谱传感器相比，该工作的灵敏度提高了 2 个数量级，动态范围拓宽了 3 个数量级。更重要的是，光声光谱技术的灵敏度首次达到了和腔衰荡光谱等最灵敏光谱技术相当的水平，同时该技术将传感器的尺寸减小了 5-10 倍，动态范围提升了 2-3 个数量级，成本也得到了大幅降低。
前景展望
随着中红外光源和中红外镀膜技术的日臻成熟，该技术可以扩展到中红外波段，直接探测气体分子在‘指纹区’的基频强吸收线，有望将浓度探测下限推近到 ppq(parts per quadrillion，千万亿分之一)，届时该技术将为碳 14 测量提供一种小型化和低成本的选择。
此外，结合光学频率梳，该技术有望具备超快、超灵敏、超高动态范围和多物质测量的能力，为基于激光光谱的科学探索和工程应用提供强有力的工具。
论文信息
Z. Wang, Q. Wang, H. Zhang, S. Borri, I. Galli, A. Sampaolo, P. Patimisco, V. L. Spagnolo, P. De Natale, and W. Ren, "Doubly resonant sub-ppt photoacoustic gas detection with eight decades dynamic range," Photoacoustics 27, 100387 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100387
