【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所方勇華研究員團(tuán)隊提出差分光聲受激拉曼(DPA-SRS)方法，將光聲光譜的高靈敏度與拉曼光譜的指紋識別能力融合，在常壓背景下實(shí)現(xiàn)了氫氣(H?)的亞ppm探測，為在復(fù)雜的工業(yè)背景下實(shí)現(xiàn)氫氣的超靈敏、實(shí)時指紋識別提供了新思路。相關(guān)研究成果以“Differential photoacoustic-stimulated Raman spectroscopy (DPA-SRS) for high-sensitivity hydrogen detection”為題發(fā)表于儀器儀表類一區(qū)Top期刊Photoacoustics。
 

　　H2作為未來的終極清潔能源，其安全性監(jiān)測至關(guān)重要。然而，這種“紅外非活性”分子由于缺乏偶極矩，無法產(chǎn)生有效的紅外吸收，導(dǎo)致傳統(tǒng)的吸收光譜技術(shù)在原理上難以實(shí)現(xiàn)對其的高靈敏度探測。
 

　　傳統(tǒng)光聲光譜技術(shù)基于吸收光譜原理無法直接對氫氣實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測。拉曼光譜技術(shù)雖然具有獨(dú)特的氣體指紋識別能力，天然適用于H?等同核雙原子分子。然而，自發(fā)拉曼散射的效率極低(散射截面通常比瑞利散射低3-6個數(shù)量級)，導(dǎo)致信號極其微弱，極大地限制了其在痕量氣體檢測中的應(yīng)用潛力。
 

　　針對上述問題，團(tuán)隊提出了一種深度融合受激拉曼物理過程與熱聲轉(zhuǎn)化機(jī)制的DPA-SRS探測方法。該方法巧妙利用受激拉曼(SRS)過程將部分泵浦光轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于H?拉曼頻移的強(qiáng)斯托克斯光，構(gòu)建起與H?分子能級精準(zhǔn)匹配的雙色激勵源(532 nm & 683 nm)，這兩束天然嚴(yán)格共線的光束進(jìn)入光聲池后，誘導(dǎo)H?分子發(fā)生受激拉曼躍遷；隨后，處于振動激發(fā)態(tài)的分子通過無輻射碰撞(V-T)弛豫，瞬間將能量轉(zhuǎn)化為宏觀的局部熱能并激發(fā)聲波。這一物理過程將極微弱的非彈性散射效應(yīng)，轉(zhuǎn)化為了高增益、可宏觀測量的聲學(xué)信號，成功賦予了光聲光譜(PAS)對H2的指紋識別能力。
 

　　此外，團(tuán)隊系統(tǒng)分析了拉曼頻移的非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)制與聲腔共振特性，并構(gòu)建了緊湊的痕量H?檢測系統(tǒng)。為了獲得最強(qiáng)的光聲激發(fā)信號，團(tuán)隊系統(tǒng)研究了拉曼池內(nèi)氣體壓力對能量轉(zhuǎn)換的影響。 實(shí)驗(yàn)表明，通過將拉曼池壓強(qiáng)優(yōu)化至13 atm，有效實(shí)現(xiàn)了斯托克斯光轉(zhuǎn)換率與四波混頻效應(yīng)的協(xié)同增強(qiáng)。結(jié)合自主設(shè)計的差分式H型共振光聲池以及微弱信號處理算法，在常壓背景下實(shí)現(xiàn)了低至1 ppm H?光聲信號的有效提取以及0.65 ppm的最低檢測限(3σ)，該研究不僅突破了傳統(tǒng)PAS技術(shù)紅外選律的應(yīng)用瓶頸，也為復(fù)雜環(huán)境下痕量非極性氣體的檢測提供了技術(shù)路徑。
 

　　博士生于欣為第一作者，李振鋼博士后為通訊作者。本研究工作獲得了安徽省重點(diǎn)研發(fā)計劃、安徽省自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。