近期，华中科技大学下一代互联网接入系统国家工程研究中心鲁平教授课题组在中科院1区《Photoacoustics》期刊上发表了题为“Ultra-sensitive ppb-level methane detection based on NIR all-optical photoacoustic spectroscopy by using differential fiber-optic microphones with gold-chromium composite nanomembrane”的论文，报道了一种基于差分光学麦克风的超灵敏光声光谱（PAS）甲烷气体检测系统。图1为传感器系统结构图。光学麦克风采用FP干涉仪结构，铬-金复合金属薄膜作为声光换能材料，使用强度解调对声波信号进行解调。为了获得更大的光声信号，论文提出了差分T型结构的新型共振式光声池。实验结果显示，所研制的基于铬-金复合薄膜的光学麦克风具有超高灵敏度，辅以差分T型光声池结构，该光声光谱系统最终实现了对ppb量级的CH₄气体最低检测限，达到当前国际上同类PAS传感器的最优值。

图1 基于差分光学麦克风的光声光谱气体检测系统

声光换能薄膜是FP式光学麦克风的核心，论文中选择铬-金复合金属薄膜作为薄膜材料。金和铬两种材料都具备很稳定的理化性质，具有很强的抗腐蚀性和薄膜制备成功率。论文设计制备半径为6.35 mm、总厚度为330 nm的铬-金复合金属薄膜（铬厚度为30 nm，金厚度为300 nm）。制备封装完成的光学麦克风如图2所示。

图2 光学麦克风的结构图与实物图

为了进一步提升气体检测性能，论文还提出了一种双通道T型差分结构的共振式光声池。光声池内部由两个尺寸相同的光声谐振腔和一个气体缓冲室构成，在单通道谐振腔基础上平行增设了一个光声谐振腔进行差分检测，并在出射端安装全反镜片进一步增强声压信号，以提升系统信噪比。

图3 (a)不同甲烷气体浓度的二次谐波信号(b)不同甲烷气体浓度的二次谐波信号峰值(c)艾伦方差噪声计算(d)实验室空气中甲烷实测波形结果

 实验结果显示：该探测系统对CH4气体的响应灵敏度为57.26 mV/ppm，得到了最低检测限达到ppb级（10^-12），成功演示了对实验室内空气环境中极低浓度CH₄的实测。图4显示的是PAS气体检测系统实验结果。

论文提出了一种超灵敏光声光谱CH4气体检测系统，采用低成本的近红外DFB激光器作为激励光源，通过新型铬-金复合金属薄膜的光学麦克风和差分T型共振式光声池，实现了ppb级的CH4实时探测。由于系统采用的光学式微音器，具备抗电磁干扰的特点，因此为高精度、远距离等痕量气体检测应用提供了一种新的方案。

华中科技大学下一代互联网接入系统国家工程研究中心司马朝坦副教授&鲁平教授为该论文通讯作者，硕士生肖汉平&赵晋彪为共同第一作者。

文章信息

Hanping Xiao, Jinbiao Zhao, Chaotan Sima, Ping Lu, Yanhong Long, Yan Ai, Wanjin Zhang, Yufeng Pan, Jiangshan Zhang, Deming Liu. Ultra-sensitive ppb-level methane detection based on NIR all-optical photoacoustic spectroscopy by using differential fiber-optic microphones with gold-chromium composite nanomembrane. Photoacoustics, 2022, 26: 100353.

论文链接地址

https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100353