基于类矩形赫里奥特（Herriott）电池的超灵敏光学气体传感器，用于实时大气甲烷检测与排放监测

《Analytical Chemistry》：Ultrasensitive Optical Gas Sensor Based on a Rectangular-like Herriott Cell for Real-Time Atmospheric Methane Detection and Emission Monitoring

调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术因高灵敏度、优异光谱分辨率和快速响应特性被广泛应用，但其核心光学组件Herriott多光束池（MPC）存在体积大、反射效率低和校准复杂等问题。本研究设计并制造了一种紧凑型矩形Herriott多光束池（RLHC），光学路径长度12.7米，体积58.9毫升，为同类尺寸最小。通过将圆形光斑（24毫米直径）转换为椭圆形（长轴24毫米、短轴6毫米），结合六次光路折叠和双高反射平面镜，RLHC实现21.9 cm2?1的填因子。集成光纤耦合准直器和InGaAs光电探测器，消除主动光学校准需求，构建自包含传感模块。使用1.65微米分布式反馈激光器，基于RLHC的甲烷传感器检测下限达38.93 ppb，噪声等效吸收系数1.36×10?? Hz?1/2（比传统系统低一个数量级）。连续三天在污水系统和环境空气中测试，验证了其鲁棒性和长期稳定性，为分布式环境监测、手持操作和大规模野外应用提供新方案。

　　

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）具有高灵敏度、出色的光谱分辨率和快速响应特性，适用于温室气体监测、工业过程控制、燃烧诊断和呼吸医学等领域的定量气体分析。然而，传统的Herriott多路腔（MPC）作为TDLAS的关键光学组件，由于其较大的体积、较低的光学镜面利用率以及严格的对准要求，限制了其便携性和现场应用。在这项研究中，我们设计并制造了一种紧凑的矩形Herriott腔（RLHC），其光学路径长度为12.7米，物理尺寸为9.00 × 6.60 × 3.45厘米3（封闭腔体积约为58.9毫升），这是目前已报道的具有相似路径长度的最小MPC。通过将圆形（直径24毫米）的光束分布转换为椭圆形（长轴24毫米，短轴6毫米），并利用两个高反射率平面镜将光轴折叠六次，RLHC实现了21.9厘米?2的填充因子。集成光纤耦合准直器和InGaAs光电探测器后，无需进行主动光学对准，从而形成了一个独立的传感模块。使用1.65微米的分布式反馈激光器，基于RLHC的甲烷传感器实现了38.93 ppbv的最小检测限（MDL）和1.36 × 10?? Hz?1/2的噪声等效吸收系数（比传统TDLAS系统低一个数量级）。在污水处理系统附近和空气中进行的连续三天测量显示了该传感器的强大稳定性和长期可靠性，这凸显了基于RLHC的TDLAS传感器在分布式环境监测、手持操作和大规模现场应用中的潜力。