痕量气体监测是环境传感、医学物理和工业应用中的关键任务国内最好期货配资公司，这项技术对于检测影响气候的气体（如甲烷）、有毒气体或易燃气体至关重要。

注：什么是气体“指纹”？

图1 相干控制石英增强光声光谱技术

相干控制的妙用

为了快速检测低浓度气体的“指纹”，除了依赖快速可调的激光器外，还需要极其灵敏的检测机制和精确的激光定时控制。研究人员采用了石英增强光声光谱作为核心检测技术。这种方法通过测量石英音叉在12420 Hz共振频率下的振动，来捕捉气体吸收的信号。当激光以相同频率调制并发出快速脉冲时，它会加热音叉叉脚之间的气体，产生微小振动，从而生成可以检测的压电电压。这种设计让气体检测变得更加精确高效，为微量气体监测提供了全新思路。

“音叉的高品质因数让我们可以通过共振增强效应检测低浓度气体，但这同时也限制了测量的速度。”研究人员解释道，“这是因为，当我们为了获取分子指纹而改变波长时，音叉仍在持续振动。要进行下一次测量，我们 必须找到办法让音叉停止振动。”

为了克服这一问题，研究人员开发了一种名为相干控制的技术，如图2所示。该技术 通过在保持激光输出频率不变的情况下，将脉冲的时序精确调整为音叉振动周期的一半。这使得激光脉冲在音叉叉脚向内移动的瞬间照射到气体区域。受热膨胀的气体会对音叉振动产生抵消作用，从而有效抑制振动。经过几次激光脉冲（仅需几百微秒），音叉便能快速停止振动，为下一次测量做好准备。

图2 相干控制石英增强光声光谱的测量原理

痕量气体的实时监测

研究人员对含有100 ppm甲烷的气体混合物进行了测试。图3(a)展示了在扫描速度从5 nm/s增加到125 nm/s时采集的甲烷光谱。结果表明，传统石英增强光声光谱技术在快速扫描时，光谱指纹逐渐模糊，而相干控制石英增强光声光谱则成功避免了这一问题。图3(b)的定量分析进一步显示，传统方法的测量偏差会随着扫描速度的增加显著提升，而采用相干控制后，偏差增量减少了一个数量级，表现更为稳定。此外，图3(c)展示了相干控制石英增强光声光谱的实验数据与理论数据的对比。结果表明，峰值的相对强度匹配良好，且线宽保持一致，充分证明了 相干控制技术的高精度和可靠性。

图3 相干控制石英增强光声光谱方法与传统石英增强光声光谱方法的对比

总结

所提出的相干控制石英增强光声光谱方法，为开发高度灵敏的实时传感器奠定了基础，可广泛应用于环境监测、呼吸分析和化学工艺控制等领域。未来，研究人员计划进一步探索该技术的性能极限，包括其最高检测速度和最低可检测浓度。此外，他们还希望推进技术的多气体同时检测能力，以满足更复杂的实际应用需求。

参考文献：

原文链接：

分布式光纤传感器是一种可以发挥传感合一独特优势的光纤传感器。它利用光纤中的背向散射感知光纤/ 光缆周边的温度、应变、振动等各种被测量沿着光缆的分布信息。

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科学编辑 | 王星儿

编辑 | 徐睿

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