利用石英音叉作为光学探测器，通过振幅调制技术重建苯在14.8 μm处的吸收带

《Sensors and Actuators A: Physical》：Reconstruction of the benzene absorption band at 14.8 μm in amplitude modulation exploiting a quartz tuning fork as optical detector

本文设计了一种基于光诱导热弹性吸收光谱（LITES）的单通道光学传感器，用于检测苯乙烯的宽带吸收特征。使用InAs/AlSb量子级联激光器（14.85 μm）和定制石英调谐频率器（QTF）作为光源和探测器，在振幅调制（AM）和波长调制（WM）模式下分析了检测性能。AM模式通过锁-in放大器提取吸收系数（1.1±0.1×10?1? cm2），检测极限达1.6 ppm；WM模式在0.6 ppm下实现更优灵敏度，但需控制调制深度以避免信号畸变。研究表明，宽带吸收特征需平衡调制深度与信噪比，压力展宽影响吸收峰形，最终验证了传感器的高灵敏度和可靠性。

　　这项研究介绍了一种用于检测苯类分子宽带吸收特性的单次通过光学传感器。这种传感器基于光诱导热弹性吸收光谱技术（LITES），利用了一种新型的InAs/AlSb量子级联激光器（QCL）作为光源，其发射波长为14.85微米，与苯的吸收带相匹配。同时，采用了一种定制设计的石英音叉（QTF）作为红外光探测器。该传感器系统在振幅调制（AM）和波长调制（WM）两种模式下运行，以分析吸收带的参数并评估传感器的最低检测限。

在振幅调制模式下，激光器的电流被固定频率地开关，通过锁相放大器提取特定频率成分。这种模式下，通过计算透射光强度与入射光强度的比值，可以绘制出与吸收系数α(ν)趋势一致的吸收特征曲线。相比直接吸收光谱法，AM模式能够显著降低光探测器的噪声水平，因为其过滤了远离吸收带波长范围的噪声成分。然而，AM模式并非完全背景无关，因此在检测宽带吸收特征时，可能需要进行后续处理来消除背景干扰。

相比之下，波长调制（WM）模式通过在激光器电流中施加正弦波的扰动，使得激光发射波长和光功率发生周期性变化。这种模式通常与双频（2f）信号解调技术结合使用，以重建吸收特征。在理想情况下，这种技术能够提供背景无关的吸收特征，且通常具有更高的信噪比。然而，当检测宽带吸收特征时，由于吸收带的半高全宽（FWHM）接近激光器的动态电流范围，因此需要较大的调制深度，这会引入残余振幅调制（RAM）效应，导致信号失真。这种失真会使得吸收特征的形状不再符合预期的二次导数特性，并且在无吸收物的情况下，背景信号也会出现显著的非零值，这会增加背景减除的难度。

本研究中，采用了AM和WM两种方法来重建苯的宽带吸收特征。通过在激光器电流上施加方波或正弦波，分别在两种模式下获取吸收特征的信号。实验结果显示，在AM模式下，吸收截面测量为(1.1?±?0.1) × 10?1? cm2，最低检测限（MDL）为1.6 ppm。而在WM模式下，使用了2f-WM技术，通过减少调制深度以降低RAM的影响，最终实现了0.6 ppm的MDL，这一结果在0.1秒的积分时间内获得。这种性能的提升表明，WM模式在某些情况下能够提供更高的灵敏度，尽管其在宽带吸收特征检测中存在一定的挑战。

为了实现这一目标，研究人员采用了一种长波长的InAs/AlSb量子级联激光器作为光源，并将其与一个定制设计的T型石英音叉结合使用。石英音叉在红外光检测中具有显著的优势，因为它能够通过压电效应将光诱导的热能转换为电信号。此外，研究中使用了一个12厘米长的单次通过气室，以确保足够的光程长度，从而提高检测的灵敏度。

在实验设置中，激光器的发射波长通过Nicolet iS50 FTIR设备进行测量，并根据苯的吸收带调整激光器的工作温度和注入电流。为了验证传感器的性能，研究团队在不同气压条件下进行了吸收特征的重建，并比较了AM和WM模式下的结果。在AM模式下，使用方波进行调制，通过调整注入电流的高低来扫描吸收带。在WM模式下，通过施加正弦波扰动，并结合双频解调技术来获取信号。两种模式下的实验数据表明，虽然WM模式在某些情况下能够提供更高的灵敏度，但在宽带吸收特征检测中，由于较大的调制深度导致的RAM效应，信号的失真程度增加，从而影响了检测的准确性。

此外，研究团队还对石英音叉的特性进行了详细分析，包括其共振频率和品质因数。通过将石英音叉安装在一个五轴平台上，研究人员能够精确对齐激光束，并测量其在不同位置的响应。实验结果表明，石英音叉在吸收带附近表现出最佳的响应，且其共振频率和品质因数在特定条件下达到了较高的水平。

在实际应用中，苯作为一种重要的挥发性有机化合物（VOCs），在许多环境中广泛存在，对环境和人类健康构成潜在威胁。因此，开发一种高灵敏度且具有选择性的检测方法至关重要。本研究中的LITES传感器通过结合长波长量子级联激光器和石英音叉探测器，成功实现了对苯的宽带吸收特征的检测。实验结果显示，该传感器在AM模式下能够准确重建吸收特征，并提供可靠的吸收参数。而在WM模式下，尽管存在信号失真和背景干扰的问题，通过适当调整调制深度，仍能够达到较高的检测灵敏度。

总体而言，这项研究展示了LITES技术在检测宽带吸收特征方面的潜力。通过对比AM和WM模式的性能，研究人员发现，在某些情况下，WM模式能够提供更高的检测灵敏度，但其在宽带吸收特征检测中存在一定的局限性。因此，未来的改进方向可能包括优化调制深度和信号解调方法，以减少RAM效应带来的干扰，同时保持较高的检测灵敏度。此外，进一步研究石英音叉在不同条件下的性能，以及激光器的动态范围调整，可能有助于提高该传感器在实际应用中的适应性和可靠性。