电闪雷鸣、震耳欲聋、轻声细语、未见其人，先闻其声等不仅是我们耳熟能详的词语，也描述了生活中的光声现象。

光声现象是什么呢？

近年来，人们利用光声信号强度与激发光源强度呈正比的特性，通过增强激发光源的强度来提升被吸收的有效激光能量，以激发更强的光声信号，从而提高基于光声光谱技术的气体传感器性能。按照其工作原理此类方法可以分为功率放大型、外腔功率增强型、激光器内腔功率增强型几类光声光谱技术。

功率增强型光声光谱气体传感

01、功率放大型光声光谱技术

以固体激光器和气体激光器为代表的大功率激光器的发展，基本上满足了光声光谱气体检测对大功率激励光源的需求，但研究人员在实际需求中倾向于使用结构紧凑、成本低、稳定性好的可调谐半导体激光器，其中以响应速度快、窄线宽的分布反馈式半导体激光器的应用最为广泛，但该类型激光器的输出功率只有十几毫瓦，限制了光声光谱气体传感器的性能。

光纤通信行业的发展大大促进了光纤放大器的开发和应用。

掺铒光纤放大器(EDFA)的基本结构如图1(a)所示(WDM表示波分复用器)，其中掺铒光纤(EDF)是EDFA的核心器件，在石英光纤中掺杂入微量Er³⁺制成。EDFA通常选用与较大Er³⁺吸收截面相对应的980 nm或1480 nm大功率激光器作为抽运激光，具有高增益、低噪声、偏振无关、光纤兼容性好、功率增益稳定等性能。光放大技术弥补了近红外波段激发光源的低功率和吸收谱线的弱吸收强度。

图1 (a) EDFA结构图;

(b)功率放大型光声光谱技术的基本原理

此类提升激光功率的方法原理清晰、易实现。但功率放大器的性能决定了对激光器功率放大的上限和激光器可放大的波长。

02、 外腔功率增强型光声光谱技术

为突破光放大器性能对功率的限制，研究人员尝试借助多光程腔或外腔增强的方法来提高声谐振腔内的功率。同时，多光程腔内激光的多次往返特性使得激光器的光强得以积累，因此多光程腔可以用来提升光声光谱气体传感器的探测灵敏度。

多光程声谐振腔可以有效积累光能以激发出较强的光声信号，通过优化腔体设计可以将能量积累的倍数进一步提高到几十倍。

研究者们已通过采用反馈技术Rossi等采用反馈技术将激光器的出射波长与线形增强腔(法布里-珀罗腔)的腔模式锁定，在法布里-珀罗腔内积累激光能量，利用强度调制激发光声信号，实现了对光声信号100倍的增强效果。

2014年，Italian National Research Council的Borri等结合腔增强吸收光谱技术和石英音叉设计了小型蝶形增强腔(总体积约为12cm³)，通过压电陶瓷(PZT)调节腔体长度将增强腔的模式锁定在激光器波长上。与其他腔增强型光声光谱不同，此技术巧妙地利用了压电陶瓷的有限反馈带宽，实现了激光器的慢速扫描和快速调制均可由加载于激光器上的电流来驱动。

03、激光器内腔增强型光声光谱技术

激光器类型多样，包括固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器以及自由电子激光器等。任何激光器腔内的光功率要远高于其输出光功率，这一特性为光声光谱技术满足大功率激光的需求提供了一种思路，即将光声池置于激光器的光谐振腔内部，充分利用激光器腔内的高功率。

1987年，Röper等提出并验证了这种方法的可行性，Harren等则实现了真正意义上的激光器内腔增强型光声光谱气体传感。

虽然气体激光器腔内的功率非常大，且单色性要好于其他一般类型的激光器，但其体积庞大且价格昂贵，限制了气体激光器内腔光声光谱技术的广泛应用。截至目前，该类技术只被用于实验室环境下的研究。基于其他类型激光器的内腔光声光谱技术也已有报道，2017年，香港中文大学Wang等将激光器内腔增强型光声光谱技术的研究拓展到了光纤激光器领域。光纤激光器内腔增强型光声光谱系统的结构设计简单，成本低，适合在实际应用中进一步推广。

光纤激光器内腔增强型光声光谱

在光声光谱气体检测领域，由于光纤激光器独特的技术优势，将激光器内腔增强型光声光谱技术与成熟的光纤激光器技术结合，在简化系统结构、降低操作难度、提升气体传感的便携性及降低应用成本等方面，具有十分重要的意义。以掺铒光纤激光器为例，为大家介绍光纤激光器内腔增强型光声光谱技术中的关键技术和相关技术的最新进展。

01、激光技术

光纤通信行业的迅速发展大大丰富了通信波段内光学器件的种类，为传感领域提供了一大批性能优越、价格合适的仪器设备。选择掺铒光纤激光器作为光源来介绍光纤激光器内腔增强光声光谱，主要有以下两个原因：

1

在光纤通信领域，1.55 μm(C波段)是一个重要的低损耗窗口，掺铒光纤激光器可提供这一波段的光源；

2

C波段覆盖1520~1570 nm的光，在这一波段内存在多种气体分子的吸收谱线。

对于几乎所有的激光器而言，激光输出是腔损耗的重要组成。与其他激光器不同，激光器内腔光声光谱技术需要的激励光源为激光器谐振腔内部形成的激光，不需要任何激光输出(少量的激光输出仅用作对激光器内部运行状态的监测)。因此，在光纤激光器内腔光声光谱系统中，这一特点可以减小腔内损耗，进一步提升激光谐振腔内的有效光功率。

02、 激光调制技术

光声池中光声信号的产生对应于气体分子对激光的周期性吸收，因此需要对激光器进行调制才能产生光声信号。在光声光谱气体传感领域，调制激光器的通用技术方案是波长调制或强度调制。激光器的调制频率一般与声谐振腔的共振频率f0相对应，例如:波长调制频率一般等于f0或f0/2，以分别激发出光声一次谐波信号和二次谐波信号； 而强度调制的频率一般等于f0，以激发出较强的光声信号。

当光纤激光器作为光源应用于传感时，其起振波长通常由光纤可调谐滤波器或光纤光栅(FBG)等器件主动控制。部分波长调制技术也可以直接应用于光纤激光器内腔光声光谱系统，但商用光纤可调谐滤波器的价格普遍较高，而且性能不一。

最常见的激光强度调制方式是利用斩波器或光开关实现激光的周期性通断，而光纤激光器内如果采用类似的器件对激光进行强度调制，就可获得高功率的脉冲激光。这是因为腔内激光被周期性切断时，对应谐振腔内的腔损耗被周期性改变，当腔内掺铒光纤在高损耗状态下积累的能量在低损耗状态快速释放而发出激光时，就会形成高功率调Q激光。

03、声波检测技术

声波的信噪比是决定光声光谱探测灵敏度的重要因素，这主要依赖于声波检测技术，特别是声传感器件的性能。当前，应用于光声光谱的常见声波传感器主要包括电动式/电容式麦克风、石英音叉和激光干涉式声压传感器，如图8所示。

电动式麦克风通过声膜切割磁感线实现声电转换，是最早被用于光声光谱系统的声波传感器，但其频率响应有限。

电容式麦克风主要通过静电感应来实现声电转换，结构更为紧凑，应用更为广泛。但由于其较宽的频率响应，这类声波传感器容易受到环境声学噪声的影响，很难实现高灵敏度声波探测，其检测环境通常需保持极安静或配合差分式光声池使用。

基于石英音叉的光声光谱(QEPAS)技术是光声气体传感领域的重大革新，采用石英音叉替代麦克风来探测声波，用敏锐(赫兹量级谐振带宽)的声波共振器件替代共振光声池来积累声波能量。经过十多年的发展，该技术已经应用于环境监测、工业生产、农业生产、医学诊断等。但当前的商用石英音叉无法检测低弛豫率的气体分子，也无法采用发光二极管(LED)、光纤放大激光、太赫兹激光等光束质量不高的光源。

另外，光声信号的大小与石英音叉的谐振频率、品质因数等参量相关，需要经常对石英音叉进行校准，以保证气体分子浓度测量的准确性。尽管微音器和石英音叉都能实现对声波的高灵敏传感，但使用过程中的带电属性限制了其在强电磁干扰区或探测目标为易燃、易爆气体时的应用。

激光干涉式声压检测是另外一类可用于光声光谱的全光型声传感器。这类声传感器通过干涉解调能实现非常高的探测灵敏度，但因制造工艺复杂，目前的研究大都限于实验室内，尚未得到大规模应用。

04、优缺点分析

光纤激光器内腔增强型光声光谱结合了光声光谱技术和光纤激光器技术的优点，是一种新型的气体传感技术。除了无背景检测、无需任何光电探测器，以及避免了吸收光谱技术中的干涉噪声外，还具有高功率激发光源、无激光输出的光源结构、系统结构更紧凑的独特优点。

激光器内腔增强型光声光谱技术可能存在的一个缺点是，其可探测气体浓度的线性区小于外腔光声光谱。这主要是因为目标气体分子对激光器腔内激光的吸收贡献了一部分腔损耗，使得内腔光功率在腔内气体浓度高时会有所下降，影响了光声信号与气体浓度的线性关系。目前，可通过缩短腔内有效吸收距离等手段来降低内腔损耗对线性区间的影响，使其线性探测范围更接近外腔光声光谱法。