气体检测的“小巨人”：光纤光声微探针的神奇之旅

痕量气体检测在环境污染监测、矿山安全保障等领域至关重要。传统检测技术存在诸多局限，如TDLAS在检测低浓度气体时准确性欠佳，且对环境因素敏感；部分光声光谱技术则面临气体消耗大、光路调节困难等问题。基于此，大连理工大学的研究团队提出了一种基于线性斑点型多通池的光纤光声气体微探针的高灵敏度和微型化气体检测技术。

研究内容

图 1 狭缝和圆形横截面光声池的声压分布和频率响应

该微探针的核心创新在于独特的结构设计。研究团队将光声管横截面设计为狭缝状（如图1所示），高10mm、宽1.5mm，气室体积缩小至仅210μL。这种设计不仅减少了气体消耗，还通过理论分析和多物理场模拟验证，狭缝横截面的光声强度比传统圆形横截面高出6倍以上。同时，在光声微探针中巧妙集成悬臂梁，与光纤构建成Fabry-Perot（FP）干涉仪，极大地增强了光声检测能力。

图 2 光路反射与光斑分布图

从光路设计来看（结合图2），通过精准调节准直器角度，光线在光声池内可实现26次反射，在反射面上形成13个线性光斑。这种线性光斑分布与狭缝横截面完美匹配，充分利用了微小镜面，增加了光的反射次数和吸收路径。对比实验表明，线性光斑分布的光声信号是单点反射的12.4倍，是椭圆光斑分布的1.9倍，有效提升了检测灵敏度。

图 3 光声气体微探针的响应时间

在实际检测性能方面，该微探针表现卓越。气体以自由扩散方式进入传感器，响应时间仅为54s（图3）。当平均时间设定为400s时，对乙炔气体的检测限低至1.5ppb。通过一系列实验计算得出，系统的最小可检测吸收系数为1.7×10⁻⁸ cm⁻¹，归一化噪声等效吸收系数为1.9×10⁻⁹ Wcm⁻¹/Hz^1/2，检测灵敏度高达24.6pm/ppm，且光声信号与气体浓度呈现良好的线性关系。

与其他气体传感器相比，该微探针在气室体积和检测限上优势显著。与采用TDLAS技术的传感器相比，检测限提升了3个数量级；与传统非共振光声池传感器相比，气室体积更小，检测限也更优。

此次新型光纤光声气体微探针的成功研发，为小型化气体浓度检测传感器的发展提供了重要参考，有望广泛应用于工业生产、环境监测、安全防护等多个领域，为保障生产安全和环境质量发挥关键作用。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c05486