光声池径向共振模式耦合系数理论分析

光声光谱法是基于红外吸收光谱原理的一种高灵敏度的微量气体探测技术。它使用声共振腔来实现微弱声信号的共振放大。通过调节激光的调制频率,当它等于腔的某个共振频率时,在腔内形成声驻波,而腔本身的作用相当于一声放大器。共振腔的放大作用取决于当前被激活的共振模式、腔的品质因素、声传感器的状态以及电磁辐射与腔共振模式的耦合作用。值得关注的是,红外激光相对于声共振腔的入射方位不同则激励产生的光声信号幅值也不同。采用理论推导与数值计算相结合的方法,以圆柱形光声池为例,研究了径向共振模式下耦合系数受激光入射方位的影响。研究表明,激光入射角在0～π/2范围变化时耦合系数存在2个零点和2个极大值：入射角为0或tan-1(0.859 2×2R/L)时,耦合系数为零而径向共振失效;入射角为tan-1(0.556 8×2R/L)或tan-1(2R/L)时,耦合系数极大而径向共振最强。此处R为池径而L为池长。结果可用于指导光声池结构优化设计与安装调试,增强光声法检测微量气体的信号幅值,提高检测灵敏度。     

光声光谱检测系统中光声池模型的建立与优化

光声池作为光声光谱气体检测系统中的核心器件直接影响系统的检测精度,以经典圆柱形光声池为基础研究对象,利用有限元分析软件,结合压力声学及热粘性声学两种物理场对光声池内的声热耦合过程进行建模,通过仿真对比谐振腔和缓冲腔的几何参数变化对光声池性能的影响,进而确定其最优尺寸.仿真结果表明:谐振腔、缓冲腔的长度和半径均会影响谐振...     

光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.     

新型高性能激光光声光谱球形光声池：理论和实验研究

从理论上讨论了球形光声池共振模式的声学特征，计算表明，与常用的圆柱形光声池比较，球形光声池具有更高的Ｑ值；利用球形光声池和钛宝石激光器的光声光谱仪，从实验上测量了球形光声池的共振模式，与理论计算结果一致；该球形光声池的声学Ｑ值达到５９０，明显高于圆柱形池的结果；利用该装置成功地记录了Ｃ２Ｈ２ １２７５０ｃｍ＾－１附近的一段弱谱带，与本实验室高灵敏的激光腔内吸收光谱仪（ＩＣＬＡＳ）得到的结果相比，具     

基于椭圆腔共振的石英增强光声光谱理论研究

石英增强光声光谱技术作为一种新型的光学检测技术,已被广泛应用于痕量气体检测场合.其中声波共振增强性能是决定检测灵敏度的重要因素.为提高光声光谱检测系统的信噪比和检测极限,提出一种新型的椭圆腔共振石英增强光声光谱检测方法,建立了其声学特征模型并利用有限元分析方法对光声腔内部声学特性进行仿真研究.研究结果表明,椭圆腔的特征模态在(2,1)模态下长轴两端声压达到最大值.通过对椭圆腔的尺寸和形状进行优化,建立实验装置,得到目标气体硫化氢检测极限为6.3 ppm(parts per million),相应的归一化噪声等效吸收系数为2.02×10~(-9)cm~(-1)W/Hz~(1/2).     

光声喇曼光谱的理论分析

对光声喇曼光谱(PARS)作了系统的理论分析,分别导出固体和液体介质中的光声喇曼光谱的信号表达式,并进行了数值估算。 关键词：     

光声池几何形状对光声光谱检测性能的影响

随着现代化工业的高速发展,痕量气体检测技术的重要性不言而喻,目前痕量气体检测技术已广泛应用于环保、化学工业、生物生态以及医学检测等各个领域,光声光谱技术由于它具有零背景检测、探测器不受波长限制、光学元件简单,系统调节及维护方便等优点,现已成为光谱学领域中非常重要的检测手段,近些年来,随着微弱信号检测与激光器技术的快速发展,光声光谱技术也得到更多学者的关注与研究,所取得的成果为光声光谱检测性能的提升提供了重要的设计参考,然而,当前文献报道较少地涉及到光声池的优化工作,尤其是对光声池的形状构造等问题鲜有深入探索。光声光谱检测系统中最核心的部件之一即为光声池,它是承载待测气体的容腔以及产生光声耦合作用的场所,其形状构型在很大程度影响着光-声之间的耦合状况,以致于影响整机系统的信噪比与灵敏性,因而探索设计光声池的形状具有重要的理论研究意义及工程应用价值。为此,基于传统圆柱形光声池的设计基础,探索研究了纵向截面为圆形、正三角形、椭圆等8种典型形状的光声池结构模型,并对其声场特性进行了仿真分析,借助3D打印技术制作了各类光声池实物,通过实验对比分析了8种光声池的性能指标,在限定光声池纵向长度及纵向截面周长相等的条件下,仿真结果表明, 8种形状各异的光声池工作纵向声学模态振型均相同,实验结果表明, 8种光声池的工作声学共振频率值基本相同,受其激光光源与腔内声学模态耦合的影响,其品质因素从大到小依次为:圆形、短轴椭圆、正五边形、正方形、大圆轴线形、正三角形、小圆轴线形、长轴椭圆,池常数从大到小依次为:圆形、长轴椭圆、正五边形、正方形、大圆轴线形、小圆轴线形、正三角形、短轴椭圆,整体结果显示,对于光声光谱光声池的设计,在没有特殊要求的情况下,光声池应优先为圆形形状,研究过程与结果为光声光谱中光声池的设计与优化探索提供了借鉴与参考。     

高浓度气体共振光声光谱信号饱和特性研究

采用恒流驱动耦合机械斩波技术在激光光声光谱装置上系统测量了5%—100%宽浓度范围甲烷气体的共振光声信号,发现在高浓度区共振光声信号呈现异常的饱和特征.基于气体吸收和光声光谱原理定量分析了光声信号饱和的主要原因及影响因素,研究表明,气体样本对入射光强吸收而导致的声源与本征共振模式的耦合系数改变是异常饱和的主要原因,并导出判定光声信号饱和深度的准则以用于判定高浓度气体饱和深度。     

光声光谱气体检测系统中气体湿度的影响研究

工作环境是光声光谱气体检测系统在工业现场应用的重要影响因素.实验发现,待测气体湿度对电容式微音器灵敏度影响显著,导致现有光声光谱气体榆测系统测试结果漂移.文章提出一种气体湿度影响消除方法,在光声腔中安装扬声器,以扬声器信号幅值作为声感应器件灵敏度的自适应表征,对光声信号幅值作自行修正,有效克服电容式微音器声信号榆测中灵...     

石英音叉增强光声光谱甲烷检测系统

甲烷是瓦斯的主要成分和温室气体之一,检测甲烷浓度对于工业生产安全和人员的生命健康保障均具有重要意义。本文设计了一种用于甲烷检测的共轴石英音叉增强光声光谱系统,利用石英音叉较高的品质因数克服了传统光声光谱技术中麦克风易受环境噪声干扰的缺点。设计了小型化气室,其体积仅为3 cm×2 cm×1 cm,简化了检测系统的结构。结合波长调制技术,分析了二次谐波信号幅值与调制深度的关系,实验得到的最佳调制电压幅度为0.175 V,对应的调制深度为0.169 cm^-1。对甲烷浓度(体积分数为5×10^-4～5×10^-3)和二次谐波信号幅值进行拟合,线性度为0.99791;采用Allan方差分析了系统的稳定性,当平均时间为5 s时,系统的检测下限为4.337×10^-5。基于小体积光声池的光声光谱气体传感器具有体积小、质量轻、成本低的优点,更适合于便携式传感应用。     

植物色素的光声光谱研究

测定了纸色谱分离的极为微量的六种植物色素的光声光谱，并与相应色谱斑点溶出物的吸收光谱进行对照，表明光声光谱对植物色素的鉴定简便有效，海藻类别众多，所含色素体系各有特征，本文报道了绿色藻，红藻和褐藻的光声光谱，并用导数光谱法明确了这些藻类的色素分布特征。     

基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究,对传统的光声光谱探测系统进行改进。根据光声光谱技术的理论可知,光声信号的强度与入射激光的功率成正比,所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率,增强光声信号强度,进一步提高了光声系统的探测灵敏度。通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化,确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定,然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合,二者具有很好的线性度。通过Allan方差计算可知,系统在平均时间达到200 s时,能够达到最低探测极限浓度。实验表明,在一个大气压下,积分时间为10 ms时,改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中,有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声,提高了信噪比。设计的共振型光声光谱探测系统操作简单,最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求,在变压器维护领域具有广阔的应用前景。     

Bessel驻波对椭球形液滴的声辐射转矩

在实际的声操控中,由于声辐射力、表面张力和重力的共同作用,液滴往往呈现出椭球的形状,在螺旋声场中会受到力矩的作用而发生转动。从声波的散射理论出发,根据部分波展开法求解得到了椭球形液滴在Bessel驻波场中的声散射系数,并给出了其受到的声辐射转矩的解析式。在此基础上,对椭球形不可压缩液滴和椭球形可压缩液滴分别进行数值计算。仿真结果表明,不可压缩液滴的声辐射转矩与声束半锥角的关系更密切,而可压缩液滴则更依赖于特定的频率;提升Bessel驻波场的阶数有利于增强声辐射转矩的峰值,但在中低频处较难对可压缩液滴产生明显的力矩。该研究结果预期对利用螺旋声场进行液滴的操控具有理论指导作用。     

Bessel驻波对椭球形液滴的声辐射转矩

在实际的声操控中,由于声辐射力、表面张力和重力的共同作用,液滴往往呈现出椭球的形状,在螺旋声场中会受到力矩的作用而发生转动。从声波的散射理论出发,根据部分波展开法求解得到了椭球形液滴在Bessel驻波场中的声散射系数,并给出了其受到的声辐射转矩的解析式。在此基础上,对椭球形不可压缩液滴和椭球形可压缩液滴分别进行数值计算。仿真结果表明,不可压缩液滴的声辐射转矩与声束半锥角的关系更密切,而可压缩液滴则更依赖于特定的频率;提升Bessel驻波场的阶数有利于增强声辐射转矩的峰值,但在中低频处较难对可压缩液滴产生明显的力矩。该研究结果预期对利用螺旋声场进行液滴的操控具有理论指导作用。     

光声光谱技术及其应用

研究物质能谱特性的最有效最方便的方法之一是光谱法．普通的光谱技术是利用分光仪器和光电接收器测量物质的吸收光谱．但是许多有机和无机材料,如粉末、无定形的化合物、污迹、不透明物、胶体物、油类及各种生物样品都具有极强的光散射的特性,因而都不便于或很难用上述光谱方法进行研究．随着激光技术和纤维光学的发展,提出了需要解决吸收系数在１０－５ｃｍ－１以下的光学材料的测量问题．普通的光谱光度法在这种?...     

共振光散射的时间量子理论

本文发展了Ｓｃｈｏｍｍｅｒｓ的时间观点，定义了时间，尤其是表征量子系统光散射的散射时间和共振散射时间。通过散射时间本征态的假定实现了散射时间的量子化，得到了量子化的共振散射时间。对原子的弹性光散射和Ｒａｍａｎ散射的成功应用推出了原子和原子的价电子逐级电离所形成的离子的所有原子能级的普适近似公式。     

癌变组织的光声光谱研究

报道了用双光束光声光谱技术对上种癌变组织研究的结果，发现在６３０ｎｍ处有一明显的吸收峰，该吸收峰在正常组织的光声光谱中不出现。这对癌症的光谱诊断和激光治疗提供了有价值的光学资料。     

基于微型非共振腔的石英增强光声光谱用于氦气纯度分析的实验研究

实验中设计了一种基于微型非共振腔的石英增强光声光谱痕量气体传感器, 用来检测非纯氦气中的痕量氨气浓度. 该传感器采用的微型非共振腔只在空间上限制声波扩散以达到增强信号目的, 而不是像传统微型共振腔一样依靠共振效应. 如此的设计使探测小分子无机气体的光谱测声器尺寸远远小于共振腔的配置而有利于准直. 不同气压下的信号和噪声也被研究, 用来优化传感器性能. 在这种配置下和27.7 kPa的最优气压下, 获得的最佳氨气探测灵敏度为463 ppb (1σ , 1 s积分时间), 相应的归一化噪声等效吸收系数为4.3×10^-9cm^-1W/√Hz. 关键词： 气体传感器 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 类氢气体纯度分析