“光聲光譜氣體監(jiān)測(cè)具有小、快、準(zhǔn)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)�！蔽靼搽娮涌萍即髮W(xué)光電工程學(xué)院徐淮良教授團(tuán)隊(duì)劉麗嫻副教授近日在高精度氣體監(jiān)測(cè)方面取得新成果，從新型諧振腔設(shè)計(jì)、多模式復(fù)用和波形工程調(diào)制模式三方面出發(fā)，推動(dòng)氣體成分傳感技術(shù)向更快響應(yīng)、更高精度、更多組分發(fā)展，“在光聲光譜氣體監(jiān)測(cè)方面，我們的技術(shù)目前應(yīng)該說(shuō)與國(guó)際最先進(jìn)技術(shù)是并跑的�！�

劉麗嫻作報(bào)告（西安電子科技大學(xué)供圖）

光譜與氣體的1V1關(guān)系

常用的氣體監(jiān)測(cè)主要通過(guò)氣相色譜、電化學(xué)等方式進(jìn)行，但這些對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器存在成本高、可檢測(cè)氣體有限、使用壽命較短等問(wèn)題，如何能夠讓氣體監(jiān)測(cè)儀成本降低、更加便攜、準(zhǔn)確度更高，還能適應(yīng)大多數(shù)氣體不同濃度的檢測(cè)？

劉麗嫻在團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人徐淮良的指導(dǎo)下，開(kāi)始探尋這些問(wèn)題的答案，并將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了“光”。

光如何能夠檢測(cè)氣體？

“就像人會(huì)有喜歡的顏色一樣，氣體也有‘喜歡’的光譜，面對(duì)‘喜歡’的光譜，它們就會(huì)呈現(xiàn)特定的反應(yīng)，而且這種‘喜歡’是一一對(duì)應(yīng)的�！闭�是由于氣體與光譜幾乎一對(duì)一匹配的“指紋”式特性，使得通過(guò)光來(lái)進(jìn)行氣體檢測(cè)成為可能。

氣體監(jiān)測(cè)根據(jù)場(chǎng)景不同會(huì)有不同要求。比如，在日常環(huán)境下需同時(shí)監(jiān)測(cè)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(yè)氣體泄漏、消防救援等場(chǎng)景下，要求氣體監(jiān)測(cè)快速且準(zhǔn)確，同時(shí)監(jiān)測(cè)儀需要盡量小，便于搬動(dòng)或者攜帶。在二氧化碳的監(jiān)測(cè)中，有臥室人體呼出氣體ppb（十億分之一濃度）級(jí)的監(jiān)測(cè)，也有在森林等自然環(huán)境中百分之幾的監(jiān)測(cè)，這就要求氣體監(jiān)測(cè)能夠滿足濃度范圍跨度大的需求。

“光對(duì)氣體適應(yīng)性很強(qiáng)，通俗地來(lái)說(shuō)就是‘不挑食’，只要選對(duì)了波段，對(duì)任何氣體都可以檢測(cè)�！睂⒄{(diào)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(huì)產(chǎn)生熱量從而有了聲壓的變化，電解麥克風(fēng)探測(cè)到變化后將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大的電信號(hào)被處理后即可被相應(yīng)軟件采集到，就會(huì)形成與之對(duì)應(yīng)的波形顯示圖�！罢�是因?yàn)楣馀c氣的一一對(duì)應(yīng)，和我們采用的‘光-熱-聲’的檢測(cè)方式，確保了我們這一臺(tái)機(jī)器就能夠適用于各種有機(jī)、無(wú)機(jī)氣體同時(shí)監(jiān)測(cè)�！�

光聲光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀（西安電子科技大學(xué)供圖）

10滴水一樣大的腔體

滿足了不同氣體同時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，劉麗嫻還需要解決小型化快速高精度探測(cè)的難題。

“雖然我們的監(jiān)測(cè)方法對(duì)氣體本身沒(méi)有任何損耗，但是考慮到設(shè)備的應(yīng)用前景，有些病患可呼出的氣量可能很小，有些救援現(xiàn)場(chǎng)也只有痕量氣體，所以我們就要考慮用盡量少的氣體來(lái)監(jiān)測(cè)�！睔怏w用量少帶來(lái)的是高頻調(diào)控的難度升級(jí)，如何能夠做到低頻調(diào)控、抗外界擾動(dòng)？

“這臺(tái)儀器里最核心的部件是我們研發(fā)的新型諧振腔，這個(gè)腔體容積只有0.5毫升，相當(dāng)于十滴水大小，我們通過(guò)這個(gè)腔體的設(shè)計(jì)，首先滿足了微型化，其次實(shí)現(xiàn)低頻調(diào)制，保證穩(wěn)定性，第三是通過(guò)放大氣體吸收光之后的微弱信號(hào)，提高內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率，加快監(jiān)測(cè)速度�！眲Ⅺ悑怪钢鴮�(shí)驗(yàn)臺(tái)上一臺(tái)約為1包A4紙大小的黑色儀器說(shuō)道：“我們?nèi)メt(yī)院做過(guò)常用吸入式麻醉劑七氟烷的監(jiān)測(cè)，與商用監(jiān)測(cè)儀相比，我們這臺(tái)機(jī)子能夠更快發(fā)現(xiàn)病人呼出氣體的變化，從而對(duì)手術(shù)提供更好的保障�！�

在對(duì)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，劉麗嫻也在思考從源頭上予以提升，她同團(tuán)隊(duì)成員一同投入到了量子級(jí)聯(lián)激光器波長(zhǎng)調(diào)制光聲光譜技術(shù)的研究中。

量子級(jí)聯(lián)激光器是一種中紅外半導(dǎo)體激光器，之所以選擇中紅外波段，是因?yàn)樵S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(shuō):“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(dāng)看到粉色時(shí)我的反應(yīng)會(huì)更強(qiáng)烈。對(duì)于氣體而言，雖然對(duì)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(xiàn)出來(lái)的就是吸收更強(qiáng)。所以就通過(guò)量子級(jí)聯(lián)激光器從源頭上把對(duì)氣體的‘刺激’加大，原始信號(hào)變大，后續(xù)就能更好地開(kāi)展研究�！绷孔蛹�(jí)聯(lián)激光器可將氣體對(duì)中紅外波段的吸收提升兩個(gè)量級(jí)，因此，在高精度探測(cè)時(shí)成為必不可少的得力助手，但在中精度探測(cè)時(shí)，則會(huì)兼顧考慮成本問(wèn)題，更多使用的是電力和光伏光源等形式。

優(yōu)勢(shì)整合實(shí)現(xiàn)萬(wàn)億級(jí)的監(jiān)測(cè)

“我們不可能把氣體都帶到實(shí)驗(yàn)室里來(lái)測(cè)，所以為了滿足更多室外場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)需要，設(shè)備也要盡可能的小，便于攜帶�！苯鉀Q了探測(cè)難題，劉麗嫻還要考慮設(shè)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(wèn)題。

這塊電路板就是FPGA，即現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)整體的緊湊化小型化輕便化，而且各項(xiàng)功能的耦合性也更好。”

基于FPGA構(gòu)架的激光調(diào)控和光聲信號(hào)鎖相解調(diào)模塊，劉麗嫻做到了對(duì)氣體的全量程監(jiān)測(cè)，“目前市面上的氣體監(jiān)測(cè)儀都做不到全量程，全量程監(jiān)測(cè)的概念就是我用一臺(tái)儀器，在不更換、增加傳感器的前提下，對(duì)氣體實(shí)現(xiàn)從極低濃度到高濃度的監(jiān)測(cè)�！币罁�(jù)朗伯比爾定律，在FPGA基礎(chǔ)上的多物理場(chǎng)耦合使儀器可自動(dòng)識(shí)別氣體濃度高低，氣體濃度極低甚至只有痕量級(jí)別時(shí)用光聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，濃度高時(shí)通過(guò)氣體濃度對(duì)頻率的影響進(jìn)行監(jiān)測(cè)，“我們實(shí)現(xiàn)了二氧化碳?xì)怏w幾十ppt（萬(wàn)億分之一）至100%濃度超大動(dòng)態(tài)范圍監(jiān)測(cè)。”

小、快、準(zhǔn)、全，劉麗嫻還在對(duì)這臺(tái)已經(jīng)猶如“六邊形戰(zhàn)士”的氣體監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行“升級(jí)”。“我們也在摸索與人工智能技術(shù)的結(jié)合，不管是大數(shù)據(jù)輔助降干擾，還是優(yōu)化人機(jī)交互，都希望能夠在這個(gè)賽道做到更好�！保ㄎ靼搽娮涌萍即髮W(xué)供稿）