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安光所研發(fā)差分光聲受激拉曼光譜技術(shù) 氫氣檢測(cè)限達(dá)0.65ppm
2026年03月12日 14:09:31
來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點(diǎn)擊量：630
安光所團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)差分光聲受激拉曼光譜（DPA-SRS）技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)光譜法難以直接探測(cè)“紅外非活性”氫氣的難題。該技術(shù)將探測(cè)限降低至0.65ppm，為復(fù)雜環(huán)境下痕量氫氣的高靈敏度檢測(cè)提供了新的技術(shù)路徑。
近日，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所方勇華研究員團(tuán)隊(duì)在氫氣高靈敏度檢測(cè)領(lǐng)域取得重要技術(shù)突破，提出了一種名為差分光聲受激拉曼光譜(DPA-SRS)的新方法。該方法將光聲光譜的高靈敏度與拉曼光譜的指紋識(shí)別能力相結(jié)合，在常壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氣的亞ppm級(jí)探測(cè)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于儀器儀表類(lèi)一區(qū)期刊《Photoacoustics》。
氫氣作為重要的清潔能源載體，在航空航天、燃料電池、半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但由于其分子半徑小、無(wú)色無(wú)味且易燃易爆，任何微小泄漏都可能引發(fā)安全事故，因此發(fā)展高靈敏度、實(shí)時(shí)的氫氣監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于保障生產(chǎn)安全和推動(dòng)氫能應(yīng)用具有重要意義。
在光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，氫氣因其同核雙原子分子結(jié)構(gòu)而缺乏永久偶極矩，屬于典型的“紅外非活性”分子，無(wú)法產(chǎn)生有效的紅外吸收，這導(dǎo)致基于紅外吸收原理的傳統(tǒng)光聲光譜等技術(shù)在原理上難以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)其的高靈敏度探測(cè)。另一方面，拉曼光譜雖具備氣體指紋識(shí)別能力，但自發(fā)拉曼散射效率極低，信號(hào)微弱，限制了其在痕量檢測(cè)中的應(yīng)用。
針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種深度融合受激拉曼物理過(guò)程與熱聲轉(zhuǎn)化機(jī)制的DPA-SRS探測(cè)方法。該技術(shù)利用受激拉曼過(guò)程，采用單一脈沖激光結(jié)合高壓拉曼位移器，將部分泵浦光自適應(yīng)地轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于氫氣拉曼頻移的強(qiáng)斯托克斯光，構(gòu)建起與氫氣分子能級(jí)精準(zhǔn)匹配的雙色激勵(lì)源。這兩束光進(jìn)入光聲池后誘導(dǎo)氫氣分子發(fā)生受激拉曼躍遷，處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)的氫氣分子隨后通過(guò)無(wú)輻射碰撞弛豫過(guò)程將能量轉(zhuǎn)化為宏觀的局部熱能并激發(fā)聲波。這一“光-熱-聲”的轉(zhuǎn)化機(jī)制將極微弱的非彈性散射效應(yīng)轉(zhuǎn)化為可宏觀測(cè)量的聲學(xué)信號(hào)，使光聲光譜具備了氫氣的指紋識(shí)別能力。
為實(shí)現(xiàn)最佳檢測(cè)性能，團(tuán)隊(duì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全面優(yōu)化。研究表明，拉曼池內(nèi)的氣體壓力對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)將拉曼池壓力優(yōu)化至13個(gè)大氣壓，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)。在信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)，為抑制高功率脈沖激光帶來(lái)的噪聲波動(dòng)，團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了聲腔優(yōu)化的差分H型共振光聲池，結(jié)合差分探測(cè)機(jī)制與時(shí)頻變換等微弱信號(hào)處理算法，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該DPA-SRS系統(tǒng)展現(xiàn)出優(yōu)異的線性響應(yīng)，在常壓背景下成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)低至1ppm氫氣的有效信號(hào)提取，最低檢測(cè)限達(dá)到0.65ppm。這一成果突破了傳統(tǒng)光聲光譜技術(shù)因紅外選律而無(wú)法直接探測(cè)氫氣的應(yīng)用瓶頸，為復(fù)雜環(huán)境下痕量非極性氣體的高靈敏度檢測(cè)提供了新的技術(shù)路徑。
素材來(lái)源：Photoacoustics
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