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移動端訪問更便捷安光所研發差分光聲受激拉曼光譜技術 氫氣檢測限達0.65ppm
2026年03月12日 14:09:31
來源:化工儀器網 作者:宋池 點擊量:4722

安光所團隊成功研發差分光聲受激拉曼光譜(DPA-SRS)技術,有效解決了傳統光譜法難以直接探測“紅外非活性”氫氣的難題。該技術將探測限降低至0.65ppm,為復雜環境下痕量氫氣的高靈敏度檢測提供了新的技術路徑。
近日,中國科學院安徽光學精密機械研究所方勇華研究員團隊在氫氣高靈敏度檢測領域取得重要技術突破,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別能力相結合,在常壓環境下實現了對氫氣的亞ppm級探測。相關研究成果已發表于儀器儀表類一區期刊《Photoacoustics》。

氫氣作為重要的清潔能源載體,在航空航天、燃料電池、半導體制造等領域應用廣泛。但由于其分子半徑小、無色無味且易燃易爆,任何微小泄漏都可能引發安全事故,因此發展高靈敏度、實時的氫氣監測技術對于保障生產安全和推動氫能應用具有重要意義。
在光學檢測領域,氫氣因其同核雙原子分子結構而缺乏永久偶極矩,屬于典型的“紅外非活性”分子,無法產生有效的紅外吸收,這導致基于紅外吸收原理的傳統光聲光譜等技術在原理上難以直接實現對其的高靈敏度探測。另一方面,拉曼光譜雖具備氣體指紋識別能力,但自發拉曼散射效率極低,信號微弱,限制了其在痕量檢測中的應用。
針對上述技術難點,研究團隊提出了一種深度融合受激拉曼物理過程與熱聲轉化機制的DPA-SRS探測方法。該技術利用受激拉曼過程,采用單一脈沖激光結合高壓拉曼位移器,將部分泵浦光自適應地轉換為對應于氫氣拉曼頻移的強斯托克斯光,構建起與氫氣分子能級精準匹配的雙色激勵源。這兩束光進入光聲池后誘導氫氣分子發生受激拉曼躍遷,處于振動激發態的氫氣分子隨后通過無輻射碰撞弛豫過程將能量轉化為宏觀的局部熱能并激發聲波。這一“光-熱-聲”的轉化機制將極微弱的非彈性散射效應轉化為可宏觀測量的聲學信號,使光聲光譜具備了氫氣的指紋識別能力。
為實現最佳檢測性能,團隊對系統進行了全面優化。研究表明,拉曼池內的氣體壓力對能量轉換效率至關重要,通過系統實驗將拉曼池壓力優化至13個大氣壓,實現了斯托克斯光轉換率與四波混頻效應的協同增強。在信號檢測環節,為抑制高功率脈沖激光帶來的噪聲波動,團隊自主設計了聲腔優化的差分H型共振光聲池,結合差分探測機制與時頻變換等微弱信號處理算法,有效增強了系統抗干擾能力。
實驗結果顯示,該DPA-SRS系統展現出優異的線性響應,在常壓背景下成功實現了對低至1ppm氫氣的有效信號提取,最低檢測限達到0.65ppm。這一成果突破了傳統光聲光譜技術因紅外選律而無法直接探測氫氣的應用瓶頸,為復雜環境下痕量非極性氣體的高靈敏度檢測提供了新的技術路徑。
素材來源:Photoacoustics
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