本科研团队自上世纪90年代起开始从事光声光谱微量气体检测技术方面的研究工作，积累了丰厚的研究基础与经验。依托国家自然科学基金面上项目、鞍山激光产业园资助项目和多项企业委托项目，设计了全光学激光光声光谱仪，新型近红外激光光声光谱仪集成了近红外宽带可调谐光纤激光器、高灵敏光纤悬臂梁声波传感器和共振式光声池，实现了对多种特征气体的高灵敏测量，其中对乙炔、氨气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯的极限检测灵敏度达到40 ppt、80ppt、5 ppb、400ppb、1000 ppb、30 ppb和80 ppb，达到国际领先水平。

图1 基于光纤声波传感器的高灵敏激光光声光谱系统结构

在基于光纤声波传感器的光声光谱研究方面，本项目组设计了基于Parylene-C膜光纤声波传感器的多组分光声光谱系统，对CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂、CO和CO₂等6种气体的检测了灵敏度分别达到0.21ppm、0.13 ppm、0.16 ppm、0.11 ppm、0.15 ppm和0.48 ppm（Photoacoustic spectroscopy based multi-gas detection using high-sensitivity fiber-optic low-frequency acoustic sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 260: 357-363.）。本人在近期提出了一种光纤悬臂梁增强型共振光声光谱方案（Research on fiber-optic cantilever-enhanced photoacoustic spectroscopy for trace gas detection, 2017 International Conference on Optical Instruments and Technology: Optoelectronic Measurement Technology and Systems. International Society for Optics and Photonics, 2018, 10621: 1062108.），采用光纤悬臂梁声波传感器对1.4kHz光声信号的高灵敏探测，结合干涉-强度解调法，系统对NH₃的检测灵敏度达到3ppb。在此基础上设计了如图7所示的痕量C₂H₂检测系统，结合快速光谱解调法，测量的不同浓度C₂H₂气体的二次谐波信号如图2所示，系统在200s测量时间下对C₂H₂的极限灵敏度达到80ppt，比前期实验结果提高了1个数量级（Chen K, Yu Q, Gong Z, et al. Ultra-high sensitive fiber-optic Fabry-Perot cantilever enhanced resonant photoacoustic spectroscopy[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 268: 205-209.）。在光纤声波传感器增强型光声光谱研究中，项目申请人还提出了一种提高检测灵敏度的悬臂梁与光声池的频率匹配方法（发明专利：一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法，申请号：201710820332.8）以及一种基于快速光谱解调法的光声锁相探测方法（发明专利：一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统及方法，申请号：201711233282.X）。

图2 基于光纤声波传感器的高灵敏激光光声光谱系统探测的二次谐波信号

用于气体微泄漏监测的光纤光声气体传感器：

为充分发挥全光学光声光谱的本质安全和可远距离测量优势，设计了一种如图3所示的用于气体微泄漏监测的光纤光声传感系统（Fiber-optic photoacoustic sensor for remote monitoring of gas micro-leakage. Optics Express, 2019.），探头中气室体积仅为70 μL，对C2H2的检测极限达到ppb量级。本技术方案实现了光声检测单元和油气分离单元的一体化，光声激发光和探测光均采用光纤传输，不仅使光声气体传感探头具有电磁免疫特性，还可以实现远距离光纤遥测。最新设计的单光纤光声气体传感器的气室体积仅仅10μL，实物图如图4所示。

图3 (a)光纤光声探头结构示意图；(b)光纤光声探头的频率响应；(c)气体微泄漏遥测实验系统示意图；(d)连续测量不同浓度乙炔的实验结果

图4 单光纤光声气体传感器