“光聲光譜氣體監(jiān)測具有小、快、準、適應性強等優(yōu)勢�！蔽靼搽娮涌萍即髮W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(jiān)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(diào)制模式三方面出發(fā)，推動氣體成分傳感技術向更快響應、更高精度、更多組分發(fā)展，“在光聲光譜氣體監(jiān)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�！�

劉麗嫻作報告（西安電子科技大學供圖）

光譜與氣體的1V1關系

常用的氣體監(jiān)測主要通過氣相色譜、電化學等方式進行，但這些對應的監(jiān)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(jiān)測儀成本降低、更加便攜、準確度更高，還能適應大多數(shù)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(xiàn)特定的反應，而且這種‘喜歡’是一一對應的�！闭�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。

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

“光對氣體適應性很強，通俗地來說就是‘不挑食’，只要選對了波段，對任何氣體都可以檢測�！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產(chǎn)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(jīng)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�！罢�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(jiān)測�！�

光聲光譜溫室氣體監(jiān)測儀（西安電子科技大學供圖）

10滴水一樣大的腔體

滿足了不同氣體同時監(jiān)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(jiān)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(xiàn)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(jiān)測�！睔怏w用量少帶來的是高頻調(diào)控的難度升級，如何能夠做到低頻調(diào)控、抗外界擾動？

“這臺儀器里最核心的部件是我們研發(fā)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(xiàn)低頻調(diào)制，保證穩(wěn)定性，第三是通過放大氣體吸收光之后的微弱信號，提高內(nèi)部轉換效率，加快監(jiān)測速度�！眲Ⅺ悑怪钢鴮嶒炁_上一臺約為1包A4紙大小的黑色儀器說道：“我們?nèi)メt(yī)院做過常用吸入式麻醉劑七氟烷的監(jiān)測，與商用監(jiān)測儀相比，我們這臺機子能夠更快發(fā)現(xiàn)病人呼出氣體的變化，從而對手術提供更好的保障�！�

在對過程進行優(yōu)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(lián)激光器波長調(diào)制光聲光譜技術的研究中。

量子級聯(lián)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(xiàn)出來的就是吸收更強。所以就通過量子級聯(lián)激光器從源頭上把對氣體的‘刺激’加大，原始信號變大，后續(xù)就能更好地開展研究�！绷孔蛹壜�(lián)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(yōu)勢整合實現(xiàn)萬億級的監(jiān)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(jiān)測需要，設備也要盡可能的小，便于攜帶�！苯鉀Q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。

這塊電路板就是FPGA，即現(xiàn)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(xiàn)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(diào)控和光聲信號鎖相解調(diào)模塊，劉麗嫻做到了對氣體的全量程監(jiān)測，“目前市面上的氣體監(jiān)測儀都做不到全量程，全量程監(jiān)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(xiàn)從極低濃度到高濃度的監(jiān)測�！币罁�(jù)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(jiān)測，濃度高時通過氣體濃度對頻率的影響進行監(jiān)測，“我們實現(xiàn)了二氧化碳氣體幾十ppt（萬億分之一）至100%濃度超大動態(tài)范圍監(jiān)測。”

小、快、準、全，劉麗嫻還在對這臺已經(jīng)猶如“六邊形戰(zhàn)士”的氣體監(jiān)測儀進行“升級”�！拔覀円苍诿�索與人工智能技術的結合，不管是大數(shù)據(jù)輔助降干擾，還是優(yōu)化人機交互，都希望能夠在這個賽道做到更好�！保ㄎ靼搽娮涌萍即髮W供稿）