2023年11月鲁平教授研究团队在中科院一区Top期刊《Photoacoustics》上发表了题为Miniaturized and highly-sensitive fiber-optic photoacoustic gas sensor based on an integrated tuning fork by mechanical processing with dual-prong differential measurement的论文。论文提出了采用机械加工的金属音叉代替具有压电效应的石英音叉来作为光声换能器，利用光纤法布里-珀罗（F-P）干涉测量技术来探测音叉振臂的振动，摆脱了石英材料的限制，增加了音叉设计的灵活性，通过同时探测音叉两个振臂的振动进一步提升了探测灵敏度，并制作了一个小型集成化的光声探测模块。本工作中所设计的音叉采用铝合金材料，振臂间隙为0.8mm，大气压下共振频率为7384.2Hz，品质因数为4733，在最佳的实验参数下获得了1.2ppm的H₂O最小检测限和3.8×10^-8cm^-1W/Hz^1/2的归一化噪声等效吸收（NNEA）系数。此方案解决了目前石英音叉用于光声光谱中所存在的一些局限，如标准石英音叉共振频率过高、振臂间隙过窄，定制石英音叉制作工艺复杂、成本较高等，相比于压电探测，全光纤的探测方式也使传感器具有本质安全、免疫电磁干扰、可远距离探测等优点。

对于音叉增强型光声光谱技术而言，低的共振频率有利用增加音叉的能量积累时间从而增强光声信号，并且音叉的共振频率与待测气体的弛豫率密切相关，低的共振频率更利于探测慢弛豫率的气体分子，另一方面为了避开环境中可能存在的低频噪声和振动，因此本团队设计了一个共振频率为7kHz的铝合金音叉，长宽厚分别为10、1、0.8mm，振臂间隙为0.8mm，相比于商用标准石英音叉0.3mm的振臂间隙，0.8mm的大振臂间隙更加有利于光束的准直通过，并且利用机械加工的方法制作了一个小型化的探测模块，模块上预留有和陶瓷套管尺寸一致的小孔，便于探测光纤的调节。探测光纤端面与音叉的振臂外侧面构成一个F-P腔，音叉振动时通过解调F-P腔长的变化就能反演出气体的浓度信息，金属音叉也能提供足够的反射率以实现光学干涉测量。为了进一步提升探测灵敏度，采用两根光纤与音叉的两个振臂分别构成F-P腔，通过将两束探测光的波长分别设定在两个F-P腔相反的正交工作点，利用商用锁相放大器的差分解调功能，实现了近2倍的灵敏度提升。图1为基于音叉的光纤F-P干涉测量原理以及所设计的音叉和探测模块。

图1 (a) 所设计的音叉示意图；(b) 基于音叉的F-P干涉测量原理；(c) 探测模块示意图；(d) 探测模块实物图

图源：Photoacoustics (2023)

https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100573(Fig. 1)

图2为所搭建的传感系统，采用一个中心波长为1368.6nm、输出功率为10mW的光纤耦合DFB激光器作为激励光源，H2O被选为目标分析气体来验证传感系统的性能，一个近红外通讯波段的多通道光纤耦合可调谐激光器作为探测光源，激励光和探测光均由光纤进行传输，最后通过两个光电探测器分别探测两个F-P腔的反射光强变化，并由锁相放大器进行差分解调。

图2 传感系统示意图

图源：Photoacoustics (2023)

https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100573(Fig. 3)

在实验上测得了音叉的频率响应曲线和最佳的激光激励位置，分别如图3(a)和(b)所示，得到音叉的共振频率为7384.2Hz，品质因数为4733，最佳的激光激励位置为距离音叉顶端1.5mm处。在最佳的实验参数下测量了实验室空气中浓度为1.9%的H2O，获得了从7306.0cm−1到7307.6cm−1范围内H2O的2f光谱，如图3(c)所示，通过对比双振臂差分测量和单振臂测量的结果，可以明显看出，双振臂差分测量将信号幅值提升了近2倍，并且根据两个光电探测器直接输出的信号可以发现两个振臂的振动信号正好为反相的关系，如图3(d)所示，也进一步验证了此结论。最终通过线性度和系统噪声的测量，在1s的积分时间下获得了传感系统的最小检测限和NNEA系数分别为1.2ppm和3.8×10-8 cm-1W/Hz1/2，积分时间的延长可进一步降低系统检测限。

图3 (a) 音叉的频率响应曲线；(b) 归一化信号幅值与激光激励位置之间的关系；(c) 双振臂差分测量与单振臂测量的二次谐波图；(d) 两个光电探测器输出的信号

图源：Photoacoustics (2023)

https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100573(Fig. 4, Fig. 5(b), Fig. 7)

论文提出了一种基于金属音叉和双振臂测量的光纤光声气体传感技术，解决了目前石英音叉用于光声光谱中所存在的一些局限，具有灵敏度高、体积小、成本低、本质安全、免疫电磁干扰、可远距离探测等优点，为高灵敏全光纤化的痕量气体检测应用提供了一种新的思路。下一步将采用微型声学谐振腔进一步增强光声信号，并探索该技术在变压器油中溶解气体监测、危险气体远距离遥测、工业厂区易燃易爆气体检测等领域的应用研究。

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为该论文通讯作者，博士生潘宇峰为第一作者。

文章信息

Y. Pan, P. Lu, L. Cheng, Zhenyu Li, Dongchao Liu, Jinbiao Zhao, Yuxuan Wang, Lujun Fu, Chaotan Sima, Deming Liu. Miniaturized and highly-sensitive fiber-optic photoacoustic gas sensor based on an integrated tuning fork by mechanical processing with dual-prong differential measurement. Photoacoustics, 2023, 34: 100573.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100573