電閃雷鳴、震耳欲聾、輕聲細語、未見其人，先聞其聲等不僅(jin) 是我們(men) 耳熟能詳的詞語，也描述了生活中的光聲現象。

近年來，人們(men) 利用光聲信號強度與(yu) 激發光源強度呈正比的特性，通過增強激發光源的強度來提升被吸收的有效激光能量，以激發更強的光聲信號，從(cong) 而提高基於(yu) 光聲光譜技術的氣體(ti) 傳(chuan) 感器性能。按照其工作原理此類方法可以分為(wei) 功率放大型、外腔功率增強型、激光器內(nei) 腔功率增強型幾類光聲光譜技術。

功率增強型光聲光譜氣體(ti) 傳(chuan) 感

01、功率放大型光聲光譜技術

以固體(ti) 激光器和氣體(ti) 激光器為(wei) 代表的大功率激光器的發展，基本上滿足了光聲光譜氣體(ti) 檢測對大功率激勵光源的需求，但研究人員在實際需求中傾(qing) 向於(yu) 使用結構緊湊、成本低、穩定性好的可調諧半導體(ti) 激光器，其中以響應速度快、窄線寬的分布反饋式半導體(ti) 激光器的應用最為(wei) 廣泛，但該類型激光器的輸出功率隻有十幾毫瓦，限製了光聲光譜氣體(ti) 傳(chuan) 感器的性能。

光纖通信行業(ye) 的發展大大促進了光纖放大器的開發和應用。

摻鉺光纖放大器(EDFA)的基本結構如圖1(a)所示(WDM表示波分複用器)，其中摻鉺光纖(EDF)是EDFA的核心器件，在石英光纖中摻雜入微量Er³⁺製成。EDFA通常選用與(yu) 較大Er³⁺吸收截麵相對應的980 nm或1480 nm大功率激光器作為(wei) 抽運激光，具有高增益、低噪聲、偏振無關(guan) 、光纖兼容性好、功率增益穩定等性能。光放大技術彌補了近紅外波段激發光源的低功率和吸收譜線的弱吸收強度。

圖1 (a) EDFA結構圖;

(b)功率放大型光聲光譜技術的基本原理

此類提升激光功率的方法原理清晰、易實現。但功率放大器的性能決(jue) 定了對激光器功率放大的上限和激光器可放大的波長。

為(wei) 突破光放大器性能對功率的限製，研究人員嚐試借助多光程腔或外腔增強的方法來提高聲諧振腔內(nei) 的功率。同時，多光程腔內(nei) 激光的多次往返特性使得激光器的光強得以積累，因此多光程腔可以用來提升光聲光譜氣體(ti) 傳(chuan) 感器的探測靈敏度。

多光程聲諧振腔可以有效積累光能以激發出較強的光聲信號，通過優(you) 化腔體(ti) 設計可以將能量積累的倍數進一步提高到幾十倍。

研究者們(men) 已通過采用反饋技術Rossi等采用反饋技術將激光器的出射波長與(yu) 線形增強腔(法布裏-珀羅腔)的腔模式鎖定，在法布裏-珀羅腔內(nei) 積累激光能量，利用強度調製激發光聲信號，實現了對光聲信號100倍的增強效果。

2014年，Italian National Research Council的Borri等結合腔增強吸收光譜技術和石英音叉設計了小型蝶形增強腔(總體(ti) 積約為(wei) 12cm³)，通過壓電陶瓷(PZT)調節腔體(ti) 長度將增強腔的模式鎖定在激光器波長上。與(yu) 其他腔增強型光聲光譜不同，此技術巧妙地利用了壓電陶瓷的有限反饋帶寬，實現了激光器的慢速掃描和快速調製均可由加載於(yu) 激光器上的電流來驅動。

03、激光器內(nei) 腔增強型光聲光譜技術

激光器類型多樣，包括固體(ti) 激光器、氣體(ti) 激光器、液體(ti) 激光器、半導體(ti) 激光器以及自由電子激光器等。任何激光器腔內(nei) 的光功率要遠高於(yu) 其輸出光功率，這一特性為(wei) 光聲光譜技術滿足大功率激光的需求提供了一種思路，即將光聲池置於(yu) 激光器的光諧振腔內(nei) 部，充分利用激光器腔內(nei) 的高功率。

1987年，Röper等提出並驗證了這種方法的可行性，Harren等則實現了真正意義(yi) 上的激光器內(nei) 腔增強型光聲光譜氣體(ti) 傳(chuan) 感。

雖然氣體(ti) 激光器腔內(nei) 的功率非常大，且單色性要好於(yu) 其他一般類型的激光器，但其體(ti) 積龐大且價(jia) 格昂貴，限製了氣體(ti) 激光器內(nei) 腔光聲光譜技術的廣泛應用。截至目前，該類技術隻被用於(yu) 實驗室環境下的研究。基於(yu) 其他類型激光器的內(nei) 腔光聲光譜技術也已有報道，2017年，香港中文大學Wang等將激光器內(nei) 腔增強型光聲光譜技術的研究拓展到了光纖激光器領域。光纖激光器內(nei) 腔增強型光聲光譜係統的結構設計簡單，成本低，適合在實際應用中進一步推廣。

光纖激光器內(nei) 腔增強型光聲光譜

在光聲光譜氣體(ti) 檢測領域，由於(yu) 光纖激光器獨特的技術優(you) 勢，將激光器內(nei) 腔增強型光聲光譜技術與(yu) 成熟的光纖激光器技術結合，在簡化係統結構、降低操作難度、提升氣體(ti) 傳(chuan) 感的便攜性及降低應用成本等方麵，具有十分重要的意義(yi) 。以摻鉺光纖激光器為(wei) 例，為(wei) 大家介紹光纖激光器內(nei) 腔增強型光聲光譜技術中的關(guan) 鍵技術和相關(guan) 技術的最新進展。

01、 激光技術

光纖通信行業(ye) 的迅速發展大大豐(feng) 富了通信波段內(nei) 光學器件的種類，為(wei) 傳(chuan) 感領域提供了一大批性能優(you) 越、價(jia) 格合適的儀(yi) 器設備。選擇摻鉺光纖激光器作為(wei) 光源來介紹光纖激光器內(nei) 腔增強光聲光譜，主要有以下兩(liang) 個(ge) 原因：

在光纖通信領域，1.55 μm(C波段)是一個(ge) 重要的低損耗窗口，摻鉺光纖激光器可提供這一波段的光源；

C波段覆蓋1520~1570 nm的光，在這一波段內(nei) 存在多種氣體(ti) 分子的吸收譜線。

對於(yu) 幾乎所有的激光器而言，激光輸出是腔損耗的重要組成。與(yu) 其他激光器不同，激光器內(nei) 腔光聲光譜技術需要的激勵光源為(wei) 激光器諧振腔內(nei) 部形成的激光，不需要任何激光輸出(少量的激光輸出僅(jin) 用作對激光器內(nei) 部運行狀態的監測)。因此，在光纖激光器內(nei) 腔光聲光譜係統中，這一特點可以減小腔內(nei) 損耗，進一步提升激光諧振腔內(nei) 的有效光功率。

光聲池中光聲信號的產(chan) 生對應於(yu) 氣體(ti) 分子對激光的周期性吸收，因此需要對激光器進行調製才能產(chan) 生光聲信號。在光聲光譜氣體(ti) 傳(chuan) 感領域，調製激光器的通用技術方案是波長調製或強度調製。激光器的調製頻率一般與(yu) 聲諧振腔的共振頻率f0相對應，例如:波長調製頻率一般等於(yu) f0或f0/2，以分別激發出光聲一次諧波信號和二次諧波信號； 而強度調製的頻率一般等於(yu) f0，以激發出較強的光聲信號。

當光纖激光器作為(wei) 光源應用於(yu) 傳(chuan) 感時，其起振波長通常由光纖可調諧濾波器或光纖光柵(FBG)等器件主動控製。部分波長調製技術也可以直接應用於(yu) 光纖激光器內(nei) 腔光聲光譜係統，但商用光纖可調諧濾波器的價(jia) 格普遍較高，而且性能不一。

最常見的激光強度調製方式是利用斬波器或光開關(guan) 實現激光的周期性通斷，而光纖激光器內(nei) 如果采用類似的器件對激光進行強度調製，就可獲得高功率的脈衝(chong) 激光。這是因為(wei) 腔內(nei) 激光被周期性切斷時，對應諧振腔內(nei) 的腔損耗被周期性改變，當腔內(nei) 摻鉺光纖在高損耗狀態下積累的能量在低損耗狀態快速釋放而發出激光時，就會(hui) 形成高功率調Q激光。

03、聲波檢測技術

聲波的信噪比是決(jue) 定光聲光譜探測靈敏度的重要因素，這主要依賴於(yu) 聲波檢測技術，特別是聲傳(chuan) 感器件的性能。當前，應用於(yu) 光聲光譜的常見聲波傳(chuan) 感器主要包括電動式/電容式麥克風、石英音叉和激光幹涉式聲壓傳(chuan) 感器，如圖8所示。

電動式麥克風通過聲膜切割磁感線實現聲電轉換，是最早被用於(yu) 光聲光譜係統的聲波傳(chuan) 感器，但其頻率響應有限。

電容式麥克風主要通過靜電感應來實現聲電轉換，結構更為(wei) 緊湊，應用更為(wei) 廣泛。但由於(yu) 其較寬的頻率響應，這類聲波傳(chuan) 感器容易受到環境聲學噪聲的影響，很難實現高靈敏度聲波探測，其檢測環境通常需保持極安靜或配合差分式光聲池使用。

基於(yu) 石英音叉的光聲光譜(QEPAS)技術是光聲氣體(ti) 傳(chuan) 感領域的重大革新，采用石英音叉替代麥克風來探測聲波，用敏銳(赫茲(zi) 量級諧振帶寬)的聲波共振器件替代共振光聲池來積累聲波能量。經過十多年的發展，該技術已經應用於(yu) 環境監測、工業(ye) 生產(chan) 、農(nong) 業(ye) 生產(chan) 、醫學診斷等。但當前的商用石英音叉無法檢測低弛豫率的氣體(ti) 分子，也無法采用發光二極管(LED)、光纖放大激光、太赫茲(zi) 激光等光束質量不高的光源。

另外，光聲信號的大小與(yu) 石英音叉的諧振頻率、品質因數等參量相關(guan) ，需要經常對石英音叉進行校準，以保證氣體(ti) 分子濃度測量的準確性。盡管微音器和石英音叉都能實現對聲波的高靈敏傳(chuan) 感，但使用過程中的帶電屬性限製了其在強電磁幹擾區或探測目標為(wei) 易燃、易爆氣體(ti) 時的應用。

激光幹涉式聲壓檢測是另外一類可用於(yu) 光聲光譜的全光型聲傳(chuan) 感器。這類聲傳(chuan) 感器通過幹涉解調能實現非常高的探測靈敏度，但因製造工藝複雜，目前的研究大都限於(yu) 實驗室內(nei) ，尚未得到大規模應用。

04、優(you) 缺點分析

光纖激光器內(nei) 腔增強型光聲光譜結合了光聲光譜技術和光纖激光器技術的優(you) 點，是一種新型的氣體(ti) 傳(chuan) 感技術。除了無背景檢測、無需任何光電探測器，以及避免了吸收光譜技術中的幹涉噪聲外，還具有高功率激發光源、無激光輸出的光源結構、係統結構更緊湊的獨特優(you) 點。

激光器內(nei) 腔增強型光聲光譜技術可能存在的一個(ge) 缺點是，其可探測氣體(ti) 濃度的線性區小於(yu) 外腔光聲光譜。這主要是因為(wei) 目標氣體(ti) 分子對激光器腔內(nei) 激光的吸收貢獻了一部分腔損耗，使得內(nei) 腔光功率在腔內(nei) 氣體(ti) 濃度高時會(hui) 有所下降，影響了光聲信號與(yu) 氣體(ti) 濃度的線性關(guan) 係。目前，可通過縮短腔內(nei) 有效吸收距離等手段來降低內(nei) 腔損耗對線性區間的影響，使其線性探測範圍更接近外腔光聲光譜法。