石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种气体检测技术,具有灵敏度高、设备体积小、对环境噪声免疫等优点。本课题组设计了一种光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块,并基于气体热动力学和一维声学谐振腔理论,利用COMSOL软件对探测模块的声压分布及声压级进行了研究;然后设计并加工了光机电一体化探测模块,将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大模块集成一体,使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点。采用中心波长为2 μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO₂进行了探测,结果表明,在1 s的积分时间下获得了3.7×10 ^-5的探测极限。通过Allan方差分析发现,积分时间为1123 s时,系统的探测极限可以达到1.34×10 ^-6。采用基于该模块的QEPAS系统可以实现对室内CO₂浓度的实时监测。

针对石英增强光声检测系统中石英音叉共振信号的特征及提取要求, 设计了一款六阶切比雪夫有源模拟带通滤波器。根据切比雪夫滤波器理论和Sallen-Key拓扑结构模型完成实际电路的设计, 并通过石英音叉共振特性测试实验对滤波器的性能做出了验证。实验结果表明, 该滤波器能对石英音叉光声信号进行滤波去噪并无失真放大, 其性能指标满足: 通频带宽935 Hz, 波纹0.8 dB, 带外衰减51 dB, 品质因数(Q)值35.09, 能有效抑制环境噪声, 可用于石英增强光声光谱检测领域光声前端信号的处理。

为了克服时域信号易受环境干扰影响的缺陷, 提高液体浓度光声测量的稳定性, 在已有的光声信号时域峰峰值特性研究的基础上, 对光声信号的频域特性展开研究。分别讨论了葡萄糖溶液光声信号的功率谱特性和最大熵谱特性, 并分别采用峰值检测、对数拟合等方法对光声信号的频谱特性进行分析。对比了葡萄糖光声信号时域峰峰值与功率谱、最大熵谱的非线性误差和重复性误差。实验结果表明: 对最大熵谱曲线进行对数拟合之后采用截距表征光声信号的方法, 其非线性误差和重复性误差相比于传统的时域峰峰值检测方法分别减小了28%和71%。由此可以得出: 频域分析方法可以显著减小葡萄糖浓度检测的非线性误差和重复性误差, 提高无创血糖浓度检测的精度与稳定性。

利用光声技术对血糖浓度无损检测进行了初探，搭建了一套可调谐脉冲激光器激发、聚焦超声探测的光声无损血糖检测系统，采用前向探测模式、前置预放大、GPIB-USB 总线传输和LabVIEW 软件开发平台，实现了葡萄糖水溶液的光声信号实时采集。实验得到了质量浓度为0~300 mg/dL 的葡萄糖水溶液的实时光声信号，并在1300~2300 nm 近红外波段内对不同浓度的葡萄糖溶液进行波长间隔10 nm 的连续扫描激发，得到不同浓度在不同激发波长下的光声峰峰值。利用差分和一阶导数谱方式得到葡萄糖特征吸收波长，对优选的多个特征波长利用最小二乘拟合算法建立了浓度和光声峰峰值数学校正模型，并对多个特征波长下建立的校正模型进行浓度反演对比，以预测均方根误差最小为标准，筛选出两个浓度预测结果相对较好的特征波长。

为了研究药剂配比对石墨/硝酸钾反应性光声特性的影响, 采用动态光声测试技术和差示扫描量热技术进行了研究, 在波长1.06μm、脉冲宽度为54μs的Nd∶YAG脉冲激光作用下, 同一配比的石墨/硝酸钾体系中, 激光能量越大光声信号越强; 不同配比药剂在同一激光能量下光声强度不同。石墨/硝酸钾质量比为25/75(3#样品)时, 光声信号最强; 为30/70(4#样品)时, 光声信号较弱。考察药剂达到光声信号峰值所用时间, 发现同一样品随着激光能量增大都呈现先增大后减小的趋势。结果表明, C/KNO3的配比不同, 化学反应不同, 热分析结果与光声实验结果可以相互印证。

利用脉冲Nd:YAG激光器对石墨进行重复性烧蚀。在一定的激光能量下,激光光声强度随重复次数增加而衰减。表明烧蚀坑对能量和质量从样品中流出有抑制作用。

应用脉冲宽度为400 μs的自由振荡Nd:YAG激光器对石墨进行烧蚀并且检测烧蚀的反应性声谱。烧蚀声谱存在典型的双峰结构并且该声谱与光声腔长度无明显关系。烧蚀程度越大,与烧蚀相关的烧蚀声峰衰减越强烈,烧蚀声峰的上升时间约为400 μs。当光斑直径为1.10 mm时,激光能量从320 mJ下降到150 mJ,烧蚀声峰下降时间从3 ms上升到8 ms,石墨的烧蚀光能约为65mJ。烧蚀声峰值与光能量成正比。EMS分析烧蚀斑表明石墨的气化导致了烧蚀声谱的双峰结构和在烧蚀孔的内表面上有与光束正交的波纹状表面。