山西大學激光光譜研究所董磊課題組聯合意大利巴里理工大學Spagnolo教授，設計制備了具有強壓電耦合，高品質因數，寬振臂間距等特點的新型音叉式石英晶振（以下簡稱新型音叉），解決了中紅外激光等光束質量較差的光源用于石英增強光聲光譜技術時背景噪聲較大的應用難題?；谏鲜鼋Y構新穎的自制音叉，研發(fā)了以中紅外量子級聯激光器為光聲信號激勵光源的痕量一氧化碳（CO）傳感器，對CO氣體實現了十億分之一（ppb）量級的高精度監(jiān)測。
圖1.（A）帶凹槽的音叉的幾何尺寸示意圖。黃色區(qū)域代表電極的分布。
（B）QTF溝槽的橫截面。
（C）新型溝槽QTF的照片。
一氧化碳是一種無色，無味的有毒氣體，它不僅會造成大氣污染，而且能夠與羥基（OH）反應形成對流層臭氧而對大氣化學和全球氣候產生重大影響。因此，CO的濃度水平一氧化碳是日常城市空氣污染指數的重要指標。此外，對痕量CO濃度的快速、連續(xù)在線監(jiān)測在航天航空、軍事國防、環(huán)境保護、醫(yī)療診斷等眾多領域均有重要的應用。石英增強光聲光譜（QEPAS）技術是近年來發(fā)展起的一種新型光學氣體傳感檢測技術，它通過使用音叉式石英晶振（如圖1C所示，以下簡稱音叉）探測目標氣體吸收激光能量后產生的光聲信號，來量化分析目標氣體的濃度。CO等許多氣體分子在中紅外光譜區(qū)域擁有很強的轉動-振動吸收，因此與采用近紅外激光作為光聲信號激勵光源的氣體傳感器相比，中紅外激光的使用可將傳感器的探測靈敏度提高幾個數量級。由于中紅外激光器輸出激光的光束質量較差，而傳統(tǒng)商用音叉振臂間間距較窄，因此，如何實現中紅外激光與QEPAS傳感器的高效耦合是該領域目前迫切需要解決的一個重要問題。
設計具有較寬振臂間距的新型音叉是解決上述問題的有效手段之一。此外，CO氣體低弛豫率的特性要求新型音叉具有較低的共振頻率f0；而對傳感器高靈敏度的需求又要求新型音叉具有高品質因數Q以及低等效電阻R的特點。課題組成員通過建立音叉理論模型并計算分析發(fā)現，音叉的上述參數彼此影響又相互制約。要減小f0來滿足低馳豫率氣體的檢測要求，就必須設計出振臂寬度w小，振臂長l大的QTF，但如此的操作會導致R值的增加以及Q的降低。雖然理論上可以通過采用更大的振臂厚度t來補償品質因數Q的損失，但對t超過1mm的晶體進行化學蝕刻在制造工藝方面很難實現。為解決這一難題，課題組成員提出并設計制備了振臂具有溝槽型結構的新型音叉，如圖1所示，四個矩形溝槽被施加在振臂的表面上。這一新穎的設計使音叉在具有較長，較窄和較厚振臂的同時，減小了QTF的不同電極之間的距離，增強了壓電耦合，從而使新型音叉同時具備了寬振臂間距，低共振頻率，高品質因數，低等效電阻的特性。結合CO的弛豫時間，課題組成員完成了新型音叉各幾何尺寸的理論計算，并對據此制備的新型音叉各項電學參數進行了實驗測定，測量結果與理論數據基本吻合。這一結果說明董磊課題組在新型音叉設計及制備方面已達到國際水平。
圖2. A.基于新型溝槽式石英晶振的QEPAS傳感器系統(tǒng)的示意圖;
B.使用自制傳感器獲得的2018年11月山西大學校園大氣CO濃度監(jiān)測數據；
C.山西省環(huán)境監(jiān)測站公布的相應數據
課題組基于這一新型音叉設計搭建了圖2A所示的痕量CO傳感器，并對傳感器各項參數進行了實驗優(yōu)化，在常溫常壓下對CO的檢測靈敏度達到了7ppb（積分時間300ms），歸一化噪聲等效吸收系數為8.74×10-9 cm-1W/√Hz，各項性能均優(yōu)于國內外已報道的CO光聲光譜傳感器性能。此外，課題組成員使用上述基于新型音叉裝配的傳感器實現了對山西大學附近大氣中CO氣體的實時監(jiān)測。圖2B所示探測結果與當地環(huán)境監(jiān)測站公布的檢測數據（圖2C）的一致性，驗證了上述傳感器的高精度實時監(jiān)測性能。該工作發(fā)表在Analytical Chemistry[91，5834（2019）]
【相關鏈接】 http://laserspec.sxu.edu.cn/jry/js/137680.htm
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