“光聲光譜氣體監測具有小、快、準、適應性強等優勢”，西安電子科技大學光電工程學院徐淮良教授團隊劉麗嫻副教授近日在高精度氣體監測方面取得新成果，從新型諧振腔設計、多模式復用和波形工程調制模式三方面出發，推動氣體成分傳感技術向更快響應、更高精度、更多組分發展，“在光聲光譜氣體監測方面，我們的技術目前應該說與國際最先進技術是并跑的”。

劉麗嫻副教授作報告

光譜與氣體的1V1關系

常用的氣體監測主要通過氣相色譜、電化學等方式進行，但這些對應的監測儀器存在成本高、可檢測氣體有限、使用壽命較短等問題，如何能夠讓氣體監測儀成本降低、更加便攜、準確度更高，還能適應大多數氣體不同濃度的檢測？

劉麗嫻在團隊負責人徐淮良的指導下，開始探尋這些問題的答案，并將目標對準了“光”。

光如何能夠檢測氣體？

“就像人會有喜歡的顏色一樣，氣體也有‘喜歡’的光譜，面對‘喜歡’的光譜，它們就會呈現特定的反應，而且這種‘喜歡’是一一對應的”，正是由于氣體與光譜幾乎一對一匹配的“指紋”式特性，使得通過光來進行氣體檢測成為可能。

光聲光譜溫室氣體監測儀

氣體監測根據場景不同會有不同要求。比如，在日常環境下需同時監測出溫室氣體中不同濃度的二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等氣體。工業氣體泄漏、消防救援等場景下，要求氣體監測快速且準確，同時監測儀需要盡量小，便于搬動或者攜帶。在二氧化碳的監測中，有臥室人體呼出氣體ppb（十億分之一濃度）級的監測，也有在森林等自然環境中百分之幾的監測，這就要求氣體監測能夠滿足濃度范圍跨度大的需求。

“光對氣體適應性很強，通俗的來說就是‘不挑食’，只要選對了波段，對任何氣體都可以檢測”，將調制后的激光打到裝有氣體的光熱池里，吸收了光的氣體就會產生熱量從而有了聲壓的變化，電解麥克風探測到變化后將聲信號轉化為電信號，經過放大的電信號被處理后即可被相應軟件采集到，就會形成與之對應的波形顯示圖，“正是因為光與氣的一一對應，和我們采用的‘光-熱-聲’的檢測方式，確保了我們這一臺機器就能夠適用于各種有機、無機氣體同時監測”。

10滴水一樣大的腔體

滿足了不同氣體同時監測的需求，劉麗嫻還需要解決小型化快速高精度探測的難題。

“雖然我們的監測方法對氣體本身沒有任何損耗，但是考慮到設備的應用前景，有些病患可呼出的氣量可能很小，有些救援現場也只有痕量氣體，所以我們就要考慮用盡量少的氣體來監測”，氣體用量少帶來的是高頻調控的難度升級，如何能夠做到低頻調控、抗外界擾動？

“這臺儀器里最核心的部件是我們研發的新型諧振腔，這個腔體容積只有0.5毫升，相當于十滴水大小，我們通過這個腔體的設計，首先滿足了微型化，其次實現低頻調制，保證穩定性，第三通過放大氣體吸收光之后的微弱信號，提高內部轉換效率，加快監測速度”，劉麗嫻指著實驗臺上一臺約為1包A4紙大小的黑色儀器說道，“我們去醫院做過常用吸入式麻醉劑七氟烷的監測，與商用監測儀相比，我們這臺機子能夠更快發現病人呼出氣體的變化，從而對手術提供更好的保障”。

在醫院手術室進行七氟烷實測

在對過程進行優化的同時，劉麗嫻也在思考從源頭上予以提升，她同團隊成員一同投入到了量子級聯激光器波長調制光聲光譜技術的研究中。

量子級聯激光器是一種中紅外半導體激光器，之所以選擇中紅外波段，是因為許多氣體在該波段有吸收帶，且吸收線的線寬更符合氣體吸收特性的要求，非常適合用于氣體傳感，劉麗嫻解釋說:“氣體和人一樣，有不同的顏色偏好，比如相較于黃色，我更喜歡粉色，當看到粉色時我的反應會更強烈。對于氣體而言，雖然對近紅外和中紅外波段都挺喜歡、都有吸收，但是它們更喜歡中紅外波段，呈現出來的就是吸收更強。所以就通過量子級聯激光器從源頭上把對氣體的‘刺激’加大，原始信號變大，后續就能更好地開展研究。”量子級聯激光器可將氣體對中紅外波段的吸收提升兩個量級，因此，在高精度探測時成為必不可少的得力助手，但在中精度探測時，則會兼顧考慮成本問題，更多使用的是電力和光伏光源等形式。

優勢整合實現萬億級的監測

“我們不可能把氣體都帶到實驗室里來測，所以為了滿足更多室外場景的監測需要，設備也要盡可能的小，便于攜帶”，解決了探測難題，劉麗嫻還要考慮設備攜帶使用的便捷性，一塊A4紙大小的電路板很好地解決了這一問題。

光聲光譜溫室氣體監測儀建模圖

光聲光譜溫室氣體監測儀渲染圖

這塊電路板就是FPGA，即現場可編程門陣列，是一種可完成通用功能的可編程邏輯芯片。劉麗嫻將所有功能的模塊都放在這塊電路板上，“這樣可以實現整體的緊湊化小型化輕便化，而且各項功能的耦合性也更好”。

基于FPGA構架的激光調控和光聲信號鎖相解調模塊，劉麗嫻做到了對氣體的全量程監測，“目前市面上的氣體監測儀都做不到全量程，全量程監測的概念就是我用一臺儀器，在不更換、增加傳感器的前提下，對氣體實現從極低濃度到高濃度的監測”，依據朗伯比爾定律，在FPGA基礎上的多物理場耦合使儀器可自動識別氣體濃度高低，氣體濃度極低甚至只有痕量級別時用光聲信號進行監測，濃度高時通過氣體濃度對頻率的影響進行監測,“我們實現了二氧化碳氣體幾十ppt（萬億分之一）至100%濃度超大動態范圍監測”。

小、快、準、全，劉麗嫻還在對這臺已經猶如“六邊形戰士”的氣體監測儀進行“升級”，“我們也在摸索與人工智能技術的結合，不管是大數據輔助降干擾，還是優化人機交互，都希望能夠在這個賽道做到更好”。

記者 / 王 格

排版 / 薛孟涵

編輯 / 王冠玉

責編 / 王 格

出品 / 黨委宣傳部〔融媒體中心〕

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