本發(fā)明涉及光聲光譜和痕量氣體檢測中的光聲傳感器，尤其涉及一種基于微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器及其工藝。

背景技術(shù)：

1、在各類氣體檢測技術(shù)中，光學氣體傳感技術(shù)以其高靈敏度、快速響應(yīng)和非侵入性檢測等優(yōu)勢而備受青睞。光學氣體傳感技術(shù)在呼氣診斷、有毒氣體泄漏、環(huán)境大氣監(jiān)測以及能源勘探等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在光學氣體傳感技術(shù)中，激光光譜技術(shù)包括：可調(diào)諧二極管激光吸收光譜、拉曼光譜和光聲/光熱光譜等多種形式。通過分子指紋中待測氣體吸收光譜的方式，能夠有效區(qū)分不同種類的氣體。光聲光譜技術(shù)在痕量氣體檢測中的物理過程可劃分為幾個關(guān)鍵部分：首先，通過強度調(diào)制或波長調(diào)制對泵浦激光進行處理，與氣體分子相互作用，使氣體分子吸收特定波長的光子能量，其電子從基態(tài)躍遷至高能級激發(fā)態(tài)；然后，高能級激發(fā)態(tài)氣體分子通過非輻射熱弛豫的過程釋放能量，引起氣體體積的周期性膨脹與收縮，進而形成聲壓信號；接著，通過光聲池的諧振屬性，對聲壓信號進一步放大；最后，利用麥克風采集聲壓信號并進行處理。最終提取出與氣體濃度相關(guān)的諧波信號。因此，光聲池和麥克風的性能會顯著影響系統(tǒng)的檢測極限和其他關(guān)鍵指標。這種檢測技術(shù)不依賴光學路徑長度，有助于縮小光聲光譜檢測系統(tǒng)的體積，降低系統(tǒng)的搭建成本，使得光聲光譜技術(shù)更具吸引力，可用于開發(fā)微型氣體傳感器，特別適用于空間受限和遠程感知應(yīng)用。

2、根據(jù)光聲池的工作模式分類，可分為諧振光聲池和非諧振光聲池。諧振光聲池因其較高的靈敏度和更大的聲壓響應(yīng)而廣泛應(yīng)用于痕量氣體檢測。其中，h型和t型諧振光聲池是常見的類型。h型諧振光聲池通常由兩個緩沖室和一個諧振腔組成，易于加工且具有良好的對稱性，因此常用于痕量氣體檢測。然而，由于結(jié)構(gòu)特性限制，h型光聲池體積較大，氣體擴散時間長，氣體響應(yīng)速度較慢。相比之下，t型諧振光聲池由一個緩沖室和一個諧振腔組成，體積較小且性能更優(yōu)，更適合作為小型高靈敏傳感單元使用。

3、從早期使用較大的電容式麥克風，轉(zhuǎn)到使用尺寸較小的石英音叉，再到使用懸臂梁和薄膜法布里-珀羅腔的光纖聲學傳感器，光聲光譜系統(tǒng)一直在小型化和靈敏度之間權(quán)衡。相比，光纖聲學傳感器，如懸臂梁和薄膜法布里-珀羅腔，具有緊湊的尺寸和不受電磁干擾等特性，因此更適用于構(gòu)建微型光聲光譜系統(tǒng)。光纖懸臂梁通過光學干涉測量懸臂梁尖端位移，在機械諧振時表現(xiàn)出高靈敏度。為增加光聲光譜系統(tǒng)的靈敏度，用于產(chǎn)生光聲信號的泵浦光被調(diào)制為懸臂梁諧振頻率的一半。懸臂梁的窄諧振帶寬有助于減少背景聲音。然而，環(huán)境溫度波動或機械振動可能導(dǎo)致懸臂梁諧振頻率漂移，從而導(dǎo)致輸出pa信號不穩(wěn)定。相比之下，基于薄膜的法布里-珀羅腔通常處于非諧振模式工作，采用剛性夾持的圓形薄膜作為敏感元件，使用納米級彈性薄膜來增加聲壓靈敏度，而不是增加幾何尺寸，以檢測薄膜振動引起的聲波偏轉(zhuǎn)。通過增加膜片直徑或減小厚度，可實現(xiàn)超高聲學靈敏度。為了開發(fā)微型和敏感的聲學傳感器，利用硅、金屬、聚合物和石墨烯、mos2等二維材料制成的超薄膜片，保持了傳感器的緊湊性。這些薄膜片具有低彎曲剛度，展現(xiàn)出前所未有的聲學靈敏度實現(xiàn)在ppm到ppb水平上檢測痕量氣體。然而，高靈敏度伴隨著對靜壓或氣流干擾的低免疫性，因此需要穩(wěn)定的信號解調(diào)方案用于實際應(yīng)用。

4、近幾年，小尺寸t型諧振式光聲池與光纖聲學傳感器的組合又開始興起，既發(fā)揮了光聲池的諧振放大作用，又提升了麥克風的靈敏度，經(jīng)過兩級放大，使檢測下限來到更高水平。基于此文獻李澤昊，倪文軍，楊春勇等.曲體束腰型光聲池的設(shè)計及性能分析.中國激光，2021，1，48：0111002.設(shè)計了一種緊湊的特殊t型諧振光纖薄膜光聲傳感器，該傳感器主要包含微型口哨諧振光聲池與光纖薄膜法布里-珀羅光聲干涉儀。其中，口哨諧振光聲池主要由一個圓盤諧振腔和一個錐形緩沖室組成，在緩沖室內(nèi)壁引入雙曲離心率，在極大地縮小了體積的同時提升了性能，圓盤諧振腔可有效的將聲壓信號從集中在諧振腔中心轉(zhuǎn)移至諧振腔邊緣并諧振放大。由于光聲池的尺寸與品質(zhì)因子成正比，尺寸越小品質(zhì)因子越低，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。然而，錐形緩沖室有效降低背景噪聲、提升品質(zhì)因子，在保持小體積的同時實現(xiàn)良好性能。光纖薄膜法布里-珀羅光聲干涉儀對聲壓信號更為敏感，響應(yīng)下限更高，進一步提升了系統(tǒng)檢測性能。光纖薄膜麥克風與圓盤諧振腔的錯位對接有效避免泵浦光直接入射至薄膜麥克風，降低噪聲干擾。

5、綜上所述，設(shè)計一種尺寸小、品質(zhì)因子高、靈敏度高、檢測極限高和系統(tǒng)性能好的全光學光聲光譜痕量氣體傳感器具有重要的應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，提供了一種基于微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器及其工藝。該傳感器諧振腔的靈敏度高、體積小、將諧振腔與光纖薄膜麥克風的錯位對接有效避免泵浦光直接入射引起的噪聲，為小型化特種諧振光聲傳感器的設(shè)計制作提供了全新思路，在光聲光譜痕量氣體檢測領(lǐng)域擁有較大的應(yīng)用前景。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一、基于微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器

4、包括光纖準直器、氣孔、錐形緩沖室、圓盤諧振腔和光纖薄膜麥克風；

5、光纖準直器、錐形緩沖室、圓盤諧振腔和光纖薄膜麥克風依次連接；

6、在錐形緩沖室的上下兩側(cè)各設(shè)有氣孔。

7、二、基于微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器的工藝

8、①設(shè)計微型口哨諧振光聲池，基于口哨的發(fā)聲原理，摒棄了傳統(tǒng)圓柱形緩沖室，引入錐形緩沖室3進一步降低背景噪聲；

9、②設(shè)計圓盤諧振腔4，有效地將聲壓信號從集中在諧振腔中心轉(zhuǎn)移至諧振腔邊緣并諧振放大；

10、③采用高靈敏的光纖薄膜麥克風5錯位探測聲壓信號，避免了泵浦光直接入射至薄膜麥克風引起的噪聲干擾；兩種微型器件的錯位組合形成了緊湊的全光學光聲傳感器，具有尺寸小、靈敏度高、噪聲水平低、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。

11、本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：

12、①本發(fā)明提供了一種基于微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器，根據(jù)口哨的發(fā)聲原理，摒棄了傳統(tǒng)圓柱形緩沖室，引入錐形緩沖室可進一步降低背景噪聲，提升品質(zhì)因子，解決了已有光聲傳感器無法在小尺寸諧振光聲池和高品質(zhì)因子之間權(quán)衡的難題；

13、②設(shè)計圓盤諧振腔可有效地將聲壓信號從集中在諧振腔中心轉(zhuǎn)移至諧振腔邊緣并諧振放大；因此，采用高靈敏光纖薄膜麥克風錯位探測聲壓信號，解決了泵浦光直接入射至薄膜麥克風引起噪聲干擾的難題；

14、③與已有的基于柱形諧振腔式t型光聲傳感器相比，微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器具有尺寸小、靈敏度高、噪聲水平低、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢；此外，光纖末端與100nm的金膜之間形成高精細度法布里-珀羅干涉儀，對聲壓信號更為敏感，響應(yīng)下限更高，可進一步提升系統(tǒng)的檢測性能。

15、④本發(fā)明為緊湊型特種諧振高靈敏度光聲傳感器提供了新思路，在光聲光譜氣體檢測領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種基于微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器的工藝，其特征在于：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器的工藝，其特征在于：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于微型口哨光纖薄膜諧振光聲傳感器及其工藝，涉及光聲光譜和痕量氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域中的光聲傳感器。本傳感器包括光纖準直器(1)、氣孔(2)、錐形緩沖室(3)、圓盤諧振腔(4)和光纖薄膜麥克風(5)；光纖準直器(1)、錐形緩沖室(3)、圓盤諧振腔(4)和光纖薄膜麥克風(5)依次連接；在錐形緩沖室(3)的上下兩側(cè)各設(shè)有氣孔(2)。與已有諧振光聲池相比，微型口哨諧振光聲池可將聲壓信號集中至諧振腔邊緣，降低噪聲水平，尺寸更小；此外，光纖末端與100nm的金膜之間形成高精細度法布里?珀羅干涉儀，對聲壓信號更為敏感，響應(yīng)下限更高，其錯位連接避免了激發(fā)光直接入射引起的噪聲，可進一步提升系統(tǒng)的檢測性能。

技術(shù)研發(fā)人員：倪文軍,趙忠科,楊春勇,冉思向,何秉澤,吳睿銘,溫子銳,張李康,趙子奇,張昊
受保護的技術(shù)使用者：中南民族大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30