《Photoacoustics》：Chirp-modulated light-induced thermoelastic spectroscopy for simultaneous precise measurement of resonant frequency and gas concentration
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本文介绍了一种创新的啁啾调制光诱导热弹性光谱（LITES）技术，成功解决了传统方法难以同步、实时、高精度测量石英音叉（QTF）谐振频率与气体浓度的难题。该研究通过采用啁啾信号调制激光注入电流，利用洛伦兹线型拟合一次谐波（1f）信号，实现了高达0.02 Hz的谐振频率测量精度，并有效避免了QTF频率漂移对长期测量稳定性的影响，为痕量气体传感提供了一种性能优越的新方案。
在环境监测、工业过程控制、医学诊断等诸多领域，对气体成分的精确、快速检测需求日益迫切。激光吸收光谱技术凭借其高灵敏度、强抗干扰能力脱颖而出，成为痕量气体分析的利器。其中，一种名为光诱导热弹性光谱（Light-induced thermoelastic spectroscopy, LITES）的技术，利用石英音叉（Quartz tuning fork, QTF）作为探测器，因其无需与气体直接接触、光谱响应范围宽、品质因数高等优点，展现出了巨大的应用潜力。然而，追求高精度的道路上存在一块“绊脚石”——QTF本身的谐振频率并不稳定。温度变化、环境压力、甚至长时间的光照，都可能导致其谐振频率发生微小漂移。对于高品质因数、带宽极窄的QTF而言，即便是0.5 Hz的漂移，也可能导致光谱响应信号衰减约10%，严重威胁LITES系统长期测量的可靠性和稳定性。传统上，人们采用电激励法来测量QTF的谐振频率，但该方法耗时较长（通常需要几分钟），且无法与气体浓度测量同步进行，难以实现对频率漂移的实时补偿。那么，有没有一种方法，能够像“一心二用”的高手，同时精准地捕捉到气体浓度和QTF谐振频率这两个关键信息，并实时纠正频率的微小波动，从而确保传感器长久稳定地工作呢？
本研究发表在《Photoacoustics》期刊上，由Xiang Chen、Xinyao Chen、Lu Yao、Mai Hu、Hao Liu、Ruifeng Kan合作完成。他们创新性地提出了“啁啾调制光诱导热弹性光谱”技术，旨在解决上述同步精确测量的难题。理论分析表明，当使用频率线性变化的啁啾信号调制激光，并照射QTF时，所激发的1f信号幅值随频率变化的轮廓符合洛伦兹线型。通过拟合这个1f信号，可以从其峰值位置直接、快速地计算出QTF的实时谐振频率，同时，该信号的积分面积与气体浓度成正比。由此，实现了从单次测量信号中同时解算出频率和浓度信息。
为开展研究，研究人员搭建了一套啁啾调制LITES实验系统，关键技术方法包括：使用自制波形发生器产生参数相同的两路啁啾信号，一路用于调制近红外可调谐二极管激光器的注入电流；调制后的激光经多通池（光程3 m）后聚焦于商用QTF根部，激发热弹性信号；产生的压电信号经跨阻放大器放大后，送入以另一路啁啾信号为参考信号的锁相放大器，解调出1f信号；最后通过数据采集卡进行信号采集与分析。研究以甲烷（CH4）为目标气体，利用质量流量控制器配置不同浓度的标准气体进行实验。
研究结果：
4.1. 不同啁啾信号频率范围下的1f信号：实验测量了不同频率范围（6.0至81.0 Hz）下的1f信号。结果表明，1f信号能用洛伦兹线型很好拟合。基于1f信号峰值计算得到的QTF谐振频率为32756.95 Hz，与电激励法测得的32756.93 Hz仅偏差0.02 Hz。综合考虑信号完整性与幅度，选择36.0 Hz的频率范围用于后续研究。
4.2. 不同啁啾周期下的1f信号：研究了1f信号幅度随啁啾周期（1-18秒）的变化。发现周期超过6秒后，信号幅度增长趋于饱和，这主要源于QTF的能量累积效应。因此选择6秒的啁啾周期以平衡测量速度与信号强度。
4.3. 不同调制幅度下的1f信号：研究了调制电流幅度（15-55 mA）对1f信号的影响。1f信号幅度与调制幅度（即光强变化范围）成正比。最终选择55 mA的调制幅度以获得更高的信号幅度。
4.4. 浓度校准：系统对不同浓度CH4（0-2000 ppm）进行了测试。在浓度低于900 ppm时，1f信号面积与浓度呈现优异的线性关系（相关系数0.998）。对于更高浓度（≥1200 ppm）的气体，可采用非线性拟合实现精确测量。通过调整啁啾信号的初始频率，可以补偿QTF谐振频率的漂移，从而确保在特定频率范围内1f信号积分面积的稳定性，这是浓度计算可靠的基础。
4.5. Allan方差分析：通过对100 ppm CH4的长期连续测量评估系统灵敏度。在啁啾周期为6秒、积分时间126秒时，系统检测限最低可达0.18 ppm，对应的归一化噪声等效吸收系数（Normalized noise equivalent absorption coefficient, NNEA）为0.37×10-9cm-1W/Hz1/2。当啁啾周期缩短至1秒时，能以牺牲部分精度（检测限0.62 ppm）为代价实现快速测量（每秒一次），为不同应用场景提供了灵活性。
4.6. 与已有检测方法的比较：与传统的波长调制LITES、拍频LITES相比，啁啾调制LITES在谐振频率测量精度（高达0.01 Hz）和NNEA性能上具有优势，响应时间（6秒或1秒）介于两者之间，展现了其在高精度测量应用中的潜力。
结论与意义：
本研究成功验证了啁啾调制LITES技术可同步、精确测量QTF谐振频率与气体浓度。该方法的核心优势在于：第一，高精度同步。从单次采集的1f信号中，即可同时获取谐振频率（精度0.02 Hz）和气体浓度信息，突破了传统方法无法同步测量的局限。第二，实时补偿与高稳定性。通过实时监测计算出的谐振频率，可动态调整啁啾信号的初始频率，使QTF谐振峰始终处于扫描频率范围内的特定位置，从而实现对频率漂移的实时校准。这从根本上消除了频率漂移对光谱测量结果的影响，极大增强了LITES系统在长期、连续监测应用中的稳定性。第三，灵活性与高性能。通过优化啁啾信号的频率范围、周期和调制幅度等参数，可以在测量速度与检测灵敏度之间取得最佳平衡，以满足从实验室精密分析到现场快速筛查等不同场景的需求。该研究为发展高性能、高稳定的痕量气体传感技术提供了一种全新的、有效的解决方案，在环境监测、工业安全、医疗诊断等领域具有广阔的应用前景。未来的工作可以进一步探索与光学谐振腔、镀膜QTF等技术的结合，以追求更高的检测灵敏度。
