SAME封面：“大头”音叉增强，让有害气体“浮出水面”
本文为中国激光第3144篇。
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编者按
青年编委既是我国科技创新发展的生力军，更是期刊发展的源头活水。《光学学报》于2022年推出“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊的同时，组建了一支强有力的SAME期刊青年编委。
为集中展示青年编委风采，编辑部定向邀约其代表作，精心组织“SAME青年编委专栏”（出版中），共收录16篇特邀论文，分别涵盖激光雷达、气溶胶、温室气体探测、光谱传感技术、光学散射技术以及海洋光通信等领域。
本文源自哈尔滨工业大学马欲飞教授课题组，文中通过研究石英增强光声光谱(Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)技术中石英音叉工作的基本原理，提出一种“大头”的T字型石英音叉设计方案，该设计有效解决了共振频率过高、能量积累时间短、叉指间距小等问题，在QEPAS技术中具有较高的应用价值，被选为《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊封面文章，同时被收录至“SAME青编委专栏”中。
封面解读：封面形象展示了石英音叉探测气体分子的工作原理。将“大头”T字型石英音叉置于充满待测气体分子的环境内，激光束入射到气体中，通过光声效应产生声波，此声波信号与石英音叉发生相互作用产生振动，基于音叉的共振和压电特性，石英音叉放大振动并产生电流信号，对该电流信号进行解析即可反演出气体浓度，性能优异的“大头”T字型石英音叉改善了系统传感性能。
文章来源：房超,乔顺达, 何应, 申作春, 马欲飞. T字头石英音叉的设计及其气体传感性能[J]. 光学学报, 2023, 43(18): 1899910.导语
随着天然气、液化气在生产生活中的普及，由于使用不当而造成的爆炸、中毒事件时有发生。此外，很多工厂在运行过程中需要使用一定纯度的工业气体作为原料，同时还会在生产过程中产生多种浓度很高的衍生气体，这些气体往往会有一定的危害，排放到大气中会损坏人们的身体健康，因此，痕量气体的检测就显得非常重要。基于石英音叉探测的石英增强光声光谱(QEPAS)技术具有结构简单、成本低、抗噪声能力强等优点，是气体传感领域研究的热点。
石英音叉：检测气体浓度的关键
T字头石英音叉“优”在哪？
图1 石英音叉电荷分布仿真结果。（a）商用石英音叉；（b）T字头石英音叉
在实验验证环节，以大气中的水汽作为测量对象，QEPAS探测系统的结构如图2(a)所示。选择位于1368.6 cm-1处水汽吸收线，锁相放大器输出的正弦信号与信号发生器产生的锯齿波相互叠加，用于调节激光控制器，经过耦合传输的激光光束入射到石英音叉叉指间隙中，此处的水汽分子吸收激光能量，产生光声信号，基于石英音叉的压电效应，此声波信号被转换为电信号，将其传输给锁相放大器，解调得到二次谐波信号(2f)。在相同条件下，该系统测试了如图2(b)所示的两种石英音叉的实物，图左是商用石英音叉，图右是T字头石英音叉。
图2 QEPAS传感系统。(a) QEPAS水汽探测系统；(b) 两种石英音叉实物图
在优化QEPAS传感系统参数后，分别测量了基于商用石英音叉和T字头石英音叉的水汽2f信号，测试结果如图3所示，通过计算2f信号侧翼部分可以得到系统的噪声，从图中可以看出，采用商用石英音叉的水汽2f信号幅值为16.44 μV, 噪声为58.86 nV，信噪比为279.31。采用T字头石英音叉测得的水汽2f信号幅值为25.37 μV ,噪声为56.54 nV，信噪比为448.71。相比于商用石英音叉，采用T字头石英音叉探测得到的信号幅值提高54.32％，信噪比提升60.65％。这些改善主要是因为T字头石英音叉的能量积累时间较长，系统对声波信号的收集能力得到提高，同时叉指间隙的增大降低了光学噪声的影响。
图3 采用不同石英音叉的QEPAS系统2f信号图
总结与展望
目前在QEPAS技术中广泛应用的商用石英音叉存在一定局限性，如共振频率过高、能量积累时间短、叉指间距小等。与目前广泛应用的商用石英音叉相对比，本文设计加工的T字头石英音叉共振频率降低73%，品质因数提高22％。将此石英音叉应用于近红外QEPAS水汽探测系统中，进一步验证其传感性能。与商用石英音叉相对比，基于T字头石英音叉的水汽QEPAS系统信噪比提升60.65％，由此证明此石英音叉传感性能的优越性。但此石英音叉的等效电阻值仍然过高，对整体探测性能存在影响，后续将进一步优化，降低等效电阻值，以进一步提高系统的传感性能。
通信作者简介
马欲飞，哈尔滨工业大学航天学院教授、博士生导师，国家优秀青年基金获得者、黑龙江省首批优秀青年基金获得者、哈尔滨工业大学青年拔尖人才、哈尔滨工业大学青年科学家工作室学术带头人、2022和2021年度爱思唯尔中国高被引学者。作为负责人主持国家自然科学基金重点、优青、国家载人航天、华为公司委托项目等。担任国际知名SCI检索Elsevier 《Photoacoustics》、Optica《Optics Express》、SPIE《Optical Engineering》、Wiley《Microwave and Optical Technology Letters》、《Chinese Optics Letters》等8个期刊领域主编/副主编/编辑，担任《光学学报》等青年编委。以第一作者/通信作者发表1区论文70余篇（其中ESI热点论文16篇、ESI高被引论文22篇），获军队科技进步二等奖、教育部学术新人奖、美国光学学会Incubic/Milton Chang Travel Grant等多项奖励。
编辑 | 王晓琰
3、H型差分光声池的优化设计及NO2气体检测研究
4、光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块
5、基于光纤放大增强型光声光谱的H2S与CO2检测技术
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