山西大学激光光谱研究所董磊课题组联合意大利巴里理工大学Spagnolo教授，设计制备了具有强压电耦合，高品质因数，宽振臂间距等特点的新型音叉式石英晶振（以下简称新型音叉），解决了中红外激光等光束质量较差的光源用于石英增强光声光谱技术时背景噪声较大的应用难题。基于上述结构新颖的自制音叉，研发了以中红外量子级联激光器为光声信号激励光源的痕量一氧化碳（CO）传感器，对CO气体实现了十亿分之一（ppb）量级的高精度监测。

图1.（A）带凹槽的音叉的几何尺寸示意图。黄色区域代表电极的分布。
（B）QTF沟槽的横截面。
（C）新型沟槽QTF的照片。

       一氧化碳是一种无色，无味的有毒气体，它不仅会造成大气污染，而且能够与羟基（OH）反应形成对流层臭氧而对大气化学和全球气候产生重大影响。因此，CO的浓度水平一氧化碳是日常城市空气污染指数的重要指标。此外，对痕量CO浓度的快速、连续在线监测在航天航空、军事国防、环境保护、医疗诊断等众多领域均有重要的应用。石英增强光声光谱（QEPAS）技术是近年来发展起的一种新型光学气体传感检测技术，它通过使用音叉式石英晶振（如图1C所示，以下简称音叉）探测目标气体吸收激光能量后产生的光声信号，来量化分析目标气体的浓度。CO等许多气体分子在中红外光谱区域拥有很强的转动-振动吸收，因此与采用近红外激光作为光声信号激励光源的气体传感器相比，中红外激光的使用可将传感器的探测灵敏度提高几个数量级。由于中红外激光器输出激光的光束质量较差，而传统商用音叉振臂间间距较窄，因此，如何实现中红外激光与QEPAS传感器的高效耦合是该领域目前迫切需要解决的一个重要问题。

       设计具有较宽振臂间距的新型音叉是解决上述问题的有效手段之一。此外，CO气体低弛豫率的特性要求新型音叉具有较低的共振频率f0；而对传感器高灵敏度的需求又要求新型音叉具有高品质因数Q以及低等效电阻R的特点。课题组成员通过建立音叉理论模型并计算分析发现，音叉的上述参数彼此影响又相互制约。要减小f0来满足低驰豫率气体的检测要求，就必须设计出振臂宽度w小，振臂长l大的QTF，但如此的操作会导致R值的增加以及Q的降低。虽然理论上可以通过采用更大的振臂厚度t来补偿品质因数Q的损失，但对t超过1mm的晶体进行化学蚀刻在制造工艺方面很难实现。为解决这一难题，课题组成员提出并设计制备了振臂具有沟槽型结构的新型音叉，如图1所示，四个矩形沟槽被施加在振臂的表面上。这一新颖的设计使音叉在具有较长，较窄和较厚振臂的同时，减小了QTF的不同电极之间的距离，增强了压电耦合，从而使新型音叉同时具备了宽振臂间距，低共振频率，高品质因数，低等效电阻的特性。结合CO的弛豫时间，课题组成员完成了新型音叉各几何尺寸的理论计算，并对据此制备的新型音叉各项电学参数进行了实验测定，测量结果与理论数据基本吻合。这一结果说明董磊课题组在新型音叉设计及制备方面已达到国际水平。

图2. A.基于新型沟槽式石英晶振的QEPAS传感器系统的示意图; B.使用自制传感器获得的2018年11月山西大学校园大气CO浓度监测数据；C.山西省环境监测站公布的相应数据

       课题组基于这一新型音叉设计搭建了图2A所示的痕量CO传感器，并对传感器各项参数进行了实验优化，在常温常压下对CO的检测灵敏度达到了7ppb（积分时间300ms），归一化噪声等效吸收系数为8.74×10-9 cm-1W/√Hz，各项性能均优于国内外已报道的CO光声光谱传感器性能。此外，课题组成员使用上述基于新型音叉装配的传感器实现了对山西大学附近大气中CO气体的实时监测。图2B所示探测结果与当地环境监测站公布的检测数据（图2C）的一致性，验证了上述传感器的高精度实时监测性能。该工作发表在Analytical Chemistry[91，5834（2019）]

【相关链接】 http://laserspec.sxu.edu.cn/jry/js/137680.htm

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