隨著中紅外（mid-IR）量子級聯(lián)激光器（qcl）的發(fā)展棕诵，在PA化學(xué)檢測和傳感應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)展。使用高功率凿将、可調(diào)諧中紅外qcl作為激光源校套，基于激光的PA化學(xué)傳感器系統(tǒng)性能得到了顯著提高。點微量氣體測量的探測靈敏度已達(dá)到十億分之一甚至萬億分之一牧抵。大多數(shù)證明的PA檢測是局部技術(shù)和要求化學(xué)樣品保存在PA細(xì)胞中笛匙。另一方面，出于安全考慮犀变，危險化學(xué)品如爆炸物或有毒氣體將需要一個安全距離進(jìn)行對峙測量妹孙。點傳感器系統(tǒng)和技術(shù)不適合這樣的應(yīng)用。我們探索了利用超靈敏麥克風(fēng)和中紅外qcl對露天環(huán)境中的爆炸物進(jìn)行對峙聲源探測的可行性弛作。
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利用量子級聯(lián)激光和超靈敏麥克風(fēng)對爆炸物進(jìn)行對峙光聲探測（二）
在我們的實驗中机隙，我們使用了一個發(fā)射波長接近7.35 μm的QCL。激光器安裝在液氮冷卻的杜瓦瓶中萨西。在LN2溫度下準(zhǔn)連續(xù)波（準(zhǔn)cw）條件下工作有鹿，重復(fù)頻率為~ 1.3 kHz，脈沖寬度為~ 250 μs谎脯〈邪希可以調(diào)整重復(fù)頻率以匹配接收電路濾波器的共振頻率，提高信噪比。低溫LN2工作保證了輸出功率的提高和激光波長的穩(wěn)定娱俺。此外稍味，由于擴(kuò)聲信號與激光脈沖能量成正比，而不僅僅是與功率成正比荠卷，因此為了增加擴(kuò)聲信號的強(qiáng)度模庐，實驗中使用了較長的脈沖寬度。中紅外區(qū)域的QCL波長和TNT吸收光譜如圖1所示油宜。圖中還顯示了在上述重復(fù)頻率和脈寬條件下準(zhǔn)連續(xù)波工作時的QCL功率電流曲線掂碱。在此條件下，QCL的Max平均輸出功率為100 mW慎冤。QCL的波長約為7.35 μm疼燥，接近TNT樣品的一個強(qiáng)吸收峰蚁堤。超靈敏麥克風(fēng)（ACO Pacific 7020） 1英寸醉者。采用直徑法檢測聲信號。麥克風(fēng)連接到一個前置放大器（型號4012）和一個電源（型號PS9200）违寿，兩者都來自ACO太平洋湃交。
圖1
在實驗中熟空，QCL輸出光束被引導(dǎo)到粉末狀的TNT樣品上藤巢，TNT樣品被放置在一塊硅晶片載體上。硅晶片對QCL波長透明息罗；因此，如果沒有TNT樣品迈喉，就不會產(chǎn)生聲信號绍刮。本研究的重點是演示使用直接對峙PA技術(shù)檢測散裝TNT材料，而不是研究痕量TNT的檢測挨摸。實驗中使用的TNT樣品為純晶體粉末狀孩革。粒度范圍：100 ~ 500 μm〉迷耍總共1mg的TNT粉末均勻分布在Si載體上約1mm2的區(qū)域膝蜈。
圖2
QCL輸出光束聚焦在目標(biāo)樣品上，通過固氣加熱耦合產(chǎn)生PA信號熔掺。在TNT樣品附近放置一個超靈敏的麥克風(fēng)饱搏，麥克風(fēng)可以直接檢測到PA信號。然后將檢測到的聲信號傳遞給低噪聲放大器（Analog Modules, Inc.型號321A-1）和窄帶通濾波器置逻，zui后發(fā)送到數(shù)字示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集推沸。實驗裝置示意圖如圖2所示。
圖3
在測量過程中，TNT樣品被放置在靠近QCL的固定位置鬓催，目的是簡化光學(xué)對準(zhǔn)和電子排列設(shè)置肺素。由于實驗室沒有中紅外望遠(yuǎn)鏡宇驾，我們將QCL和TNT樣品保持在固定的位置压怠，只是通過移動麥克風(fēng)來延長麥克風(fēng)與TNT測試樣品之間的距離。當(dāng)麥克風(fēng)靠近TNT樣品放置時飞苇，如圖2所示的實驗設(shè)置菌瘫，它直接檢測到PA信號。在此設(shè)置中布卡，QCL在11 V和500 mA下驅(qū)動雨让，脈沖寬度為250 us，重復(fù)頻率為1.3 kHz忿等，平均輸出功率為50 mW。
圖4
聲信號由傳聲器檢測贸街，通過放大器和帶通濾波器傳輸庵寞，然后送到示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。例如薛匪，圖3(A)顯示了麥克風(fēng)檢測到的信號的截圖捐川，其中麥克風(fēng)放置在2英寸。遠(yuǎn)離TNT樣本逸尖。圖4(b)給出了信號在頻域的快速傅里葉變換（FFT）頻譜古沥。
圖5
圖3(a)中，黃色走線為電驅(qū)動脈沖電壓娇跟，藍(lán)色走線為電流探頭測量電流岩齿，紫色走線為麥克風(fēng)檢測到的PA信號。從圖3(b)中可以看出苞俘，檢測到一個強(qiáng)PA信號盹沈，信噪比超過15 dB。
圖6
如前所述吃谣，PA信號強(qiáng)度隨1∕r依賴而衰減乞封。為了驗證我們操作的頻率范圍內(nèi)的關(guān)系，我們測量了不同檢測距離下的PA信號基协。圖4顯示了麥克風(fēng)放置在2英寸、4英寸澜驮、6英寸和8英寸距離時測量到的PA信號陷揪。分別遠(yuǎn)離TNT樣本。在這些圖片中，橫軸為時間軸悍缠，尺度為250 μs / division卦绣。每個圖的紫色走線表示麥克風(fēng)信號，藍(lán)色走線表示測量電流飞蚓，黃色走線表示驅(qū)動脈沖電壓滤港。從測量結(jié)果可以看出，當(dāng)檢測距離增加時趴拧，擴(kuò)音信號的幅值不僅會減小溅漾，而且擴(kuò)音信號的測量相位也會發(fā)生位移。不同距離處的相位延遲對應(yīng)于聲波從聲源傳播到不同探測位置的時間延遲著榴。聲波在傳播過程中添履，聲功率呈1∕r衰減關(guān)系，壓力波幅值呈1∕r衰減關(guān)系脑又。由于工作麥克風(fēng)測量的是聲波壓力而不是功率暮胧，因此測量到的擴(kuò)音信號強(qiáng)度與探測距離成反比问麸。在圖5中往衷，我們繪制了測量到的PA信號振幅作為距離倒數(shù)的函數(shù)。數(shù)據(jù)表明严卖，擴(kuò)聲信號強(qiáng)度與逆距離呈線性關(guān)系席舍。
為了進(jìn)一步擴(kuò)大探測距離，系統(tǒng)中增加了一個直徑為2英尺的拋物面聲反射器妄田，以幫助有效地收集聲音信號俺亮。實驗設(shè)置與圖2所示相同，只是系統(tǒng)中增加了指向TNT樣品的聲反射器疟呐。此外东且，麥克風(fēng)位于拋物面反射器的焦點處启具，面朝指向反射器而不是TNT樣本。麥克風(fēng)連接到電源和前置放大器珊泳，然后將信號發(fā)送到窄帶通濾波器和示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集鲁冯。
我們還通過將驅(qū)動電流增加到800 mA左右（相當(dāng)于100 mW的平均輸出功率）來提高QCL的輸出功率。由于商用脈沖發(fā)生器的平均驅(qū)動功率有限色查，因此采用功率晶體管的自制放大器來提高電驅(qū)動脈沖的電壓和電流薯演。在聲反射器、濾波器和放大器的幫助下秧了，檢測距離延長到8英尺。在這樣的距離下，獲得了清晰的防區(qū)擴(kuò)音信號衡创。檢測到的信號如圖6(a)所示帝嗡，即示波器測量的截圖。在圖中璃氢，黃色的走線是發(fā)送到脈沖放大器的脈沖發(fā)生器電壓信號哟玷，綠色的走線是放大后的驅(qū)動電壓，藍(lán)色的走線是測量到的脈沖電流一也，紫色的走線是測量到的PA信號巢寡。實測PA信號的FFT頻譜如圖6(b)所示。它在1.3 kHz左右呈現(xiàn)清晰的PA信號峰值椰苟，信噪比超過10 dB讼渊。
在超過10 dB的高信噪比下，我們的實驗裝置在當(dāng)前QCL輸出功率水平下可以將距離增加到20英尺以上尊剔，并且仍然保持良好的信噪比爪幻。在相對安靜的條件下，與我們的實驗室環(huán)境（有噪聲）相比须误，背景噪聲可能會進(jìn)一步降低挨稿，信噪比也會大大提高。另一方面京痢，為了將系統(tǒng)移出實驗室進(jìn)行室外操作（甚至更嘈雜的環(huán)境），可能需要聲波束形成來抑制環(huán)境噪聲并增強(qiáng)信號強(qiáng)度祭椰。已經(jīng)進(jìn)行了一項預(yù)研究臭家，以比較使用麥克風(fēng)反射器對陣列或僅使用單個反射器的麥克風(fēng)陣列[25]。此外方淤，值得注意的是钉赁，我們的QCL的輸出平均功率相對較低，為100 mW携茂。高QCL功率可以獲得更強(qiáng)的擴(kuò)音信號和信噪比你踩，從而實現(xiàn)更長的距離檢測。例如讳苦，使用1w QCL輸出功率带膜，對于散裝TNT探測，探測距離預(yù)計將擴(kuò)展到100英尺以上鸳谜。用更高的激光功率也可以實現(xiàn)痕量傳感膝藕。
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