【儀表網 研發(fā)快訊】近日，中國科學院合肥物質院安光所方勇華研究員團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，在常壓背景下實現(xiàn)了氫氣(H?)的亞ppm探測，為在復雜的工業(yè)背景下實現(xiàn)氫氣的超靈敏、實時指紋識別提供了新思路。相關研究成果以“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)測至關重要。然而，這種“紅外非活性”分子由于缺乏偶極矩，無法產生有效的紅外吸收，導致傳統(tǒng)的吸收光譜技術在原理上難以實現(xiàn)對其的高靈敏度探測。
 

　　傳統(tǒng)光聲光譜技術基于吸收光譜原理無法直接對氫氣實現(xiàn)高靈敏度探測。拉曼光譜技術雖然具有獨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)，導致信號極其微弱，極大地限制了其在痕量氣體檢測中的應用潛力。
 

　　針對上述問題，團隊提出了一種深度融合受激拉曼物理過程與熱聲轉化機制的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換為對應于H?拉曼頻移的強斯托克斯光，構建起與H?分子能級精準匹配的雙色激勵源(532 nm & 683 nm)，這兩束天然嚴格共線的光束進入光聲池后，誘導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，轉化為了高增益、可宏觀測量的聲學信號，成功賦予了光聲光譜(PAS)對H2的指紋識別能力。
 

　　此外，團隊系統(tǒng)分析了拉曼頻移的非線性光學轉換機制與聲腔共振特性，并構建了緊湊的痕量H?檢測系統(tǒng)。為了獲得最強的光聲激發(fā)信號，團隊系統(tǒng)研究了拉曼池內氣體壓力對能量轉換的影響。 實驗表明，通過將拉曼池壓強優(yōu)化至13 atm，有效實現(xiàn)了斯托克斯光轉換率與四波混頻效應的協(xié)同增強。結合自主設計的差分式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技術紅外選律的應用瓶頸，也為復雜環(huán)境下痕量非極性氣體的檢測提供了技術路徑。
 

　　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研發(fā)計劃、安徽省自然科學基金、中國博士后科學基金等項目的資助。