基于双曲非线性谐振腔与近共焦多通腔集成的高灵敏度光声气体传感器研究

本研究针对变压器故障诊断中溶解乙炔(C2H2)检测灵敏度不足的问题，创新提出双曲非线性谐振腔(HNR)结构，结合近共焦多通腔(MPC)实现19倍信号增强。通过波长调制光谱技术，在100秒积分时间下达到10 ppb检测限，创纪录地实现4.56×10-11 cm-1·W/Hz1/2的归一化噪声等效吸收系数，为电力设备在线监测提供新方案。

　　

在电力设备安全监测领域，溶解于绝缘油中的微量乙炔(C₂H₂)是诊断变压器内部放电故障的关键标志物。传统气相色谱法存在体积庞大、响应慢等问题，而现有光声光谱(PAS)技术又面临谐振腔声学性能不足与光学路径受限的双重挑战。针对这一技术瓶颈，浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室的Yaopeng Cheng、Ruili Zhang和Sailing He研究团队创新性地提出了一种双曲非线性谐振腔(HNR)结构，通过与近共焦多通腔(MPC)的协同集成，实现了突破性的检测灵敏度。这项发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》的研究，为电力设备故障预警提供了全新的高精度解决方案。

研究团队采用有限元法(FEM)模拟谐振腔声场分布，结合波长调制光谱(WMS)与二次谐波检测技术，通过优化谐振腔几何参数与多通腔反射路径，构建了具有双曲余弦截面的HNR结构。实验使用1532 nm分布式反馈(DFB)激光器，在42次反射的MPC增强下，对溶解于氮气中的C₂H₂进行检测。

【HNR设计与建模】

通过求解全线性化Navier-Stokes方程，团队优化出谐振腔长度40 mm、喉部半径3 mm、曲率系数120 m^-1的最佳参数组合。仿真显示该结构在6871 Hz共振频率下品质因数(Q值)达90.4，声压幅值比传统圆柱腔提高27倍。实际加工件因麦克风安装等因素，实测Q值仍保持65的优异水平。

【近共焦MPC集成】

创新设计的MPC采用焦距25 mm的凹面镜，通过精确控制入射角度(14.1°)与偏移量(0.6 mm)，实现42次反射形成"沙漏"状光路。这种独特构型与HNR的双曲轮廓完美匹配，使谐振腔直径可缩小至6 mm，同时避免镜面被样品气体污染。实验证实该设计带来19倍的信号增强。

【系统性能验证】

在500 ppm C₂H₂/N₂测试中，传感器表现出0.9998的线性响应度。Allan方差分析显示，在100秒积分时间下检测限达10 ppb，延长至3330秒时可进一步降至1.15 ppb。系统对湿度干扰表现出3.6%/%V-H₂O的线性响应，便于实际应用中的信号校正。

这项研究通过HNR与MPC的协同创新，实现了4.56×10^-11 cm^-1·W/Hz^1/2的创纪录NNEA系数，较同类技术提升两个数量级。其意义不仅在于满足电力行业500 ppb的检测标准，更开创了非均匀截面谐振腔设计的新范式。该技术路线可扩展至医疗呼气诊断等领域，为发展下一代高灵敏度光声传感器提供了普适性方案。研究团队特别指出，双曲余弦截面的平滑渐变特性有效抑制了声阻抗突变，这一发现为声学谐振器设计提供了重要理论参考。