随着中红外（mid-IR）量子级联激光器（qcl）的发展，在PA化学检测和传感应用方面取得了重大进展。使用高功率、可调谐中红外qcl作为激光源，基于激光的PA化学传感器系统性能得到了显著提高。点微量气体测量的探测灵敏度已达到十亿分之一甚至万亿分之一。大多数证明的PA检测是局部技术和要求化学样品保存在PA细胞中。另一方面，出于安全考虑，危险化学品如爆炸物或有毒气体将需要一个安全距离进行对峙测量。点传感器系统和技术不适合这样的应用。我们探索了利用超灵敏麦克风和中红外qcl对露天环境中的爆炸物进行对峙声源探测的可行性。
利用量子级联激光和超灵敏麦克风对爆炸物进行对峙光声探测（二）
在我们的实验中，我们使用了一个发射波长接近7.35 μm的QCL。激光器安装在液氮冷却的杜瓦瓶中。在LN2温度下准连续波（准cw）条件下工作，重复频率为~ 1.3 kHz，脉冲宽度为~ 250 μs。可以调整重复频率以匹配接收电路滤波器的共振频率，提高信噪比。低温LN2工作保证了输出功率的提高和激光波长的稳定。此外，由于扩声信号与激光脉冲能量成正比，而不仅仅是与功率成正比，因此为了增加扩声信号的强度，实验中使用了较长的脉冲宽度。中红外区域的QCL波长和TNT吸收光谱如图1所示。图中还显示了在上述重复频率和脉宽条件下准连续波工作时的QCL功率电流曲线。在此条件下，QCL的Max平均输出功率为100 mW。QCL的波长约为7.35 μm，接近TNT样品的一个强吸收峰。超灵敏麦克风（ACO Pacific 7020） 1英寸。采用直径法检测声信号。麦克风连接到一个前置放大器（型号4012）和一个电源（型号PS9200），两者都来自ACO太平洋。
图1
在实验中，QCL输出光束被引导到粉末状的TNT样品上，TNT样品被放置在一块硅晶片载体上。硅晶片对QCL波长透明；因此，如果没有TNT样品，就不会产生声信号。本研究的重点是演示使用直接对峙PA技术检测散装TNT材料，而不是研究痕量TNT的检测。实验中使用的TNT样品为纯晶体粉末状。粒度范围：100 ~ 500 μm。总共1mg的TNT粉末均匀分布在Si载体上约1mm2的区域。
图2
QCL输出光束聚焦在目标样品上，通过固气加热耦合产生PA信号。在TNT样品附近放置一个超灵敏的麦克风，麦克风可以直接检测到PA信号。然后将检测到的声信号传递给低噪声放大器（Analog Modules, Inc.型号321A-1）和窄带通滤波器，zui后发送到数字示波器进行数据采集。实验装置示意图如图2所示。
图3
在测量过程中，TNT样品被放置在靠近QCL的固定位置，目的是简化光学对准和电子排列设置。由于实验室没有中红外望远镜，我们将QCL和TNT样品保持在固定的位置，只是通过移动麦克风来延长麦克风与TNT测试样品之间的距离。当麦克风靠近TNT样品放置时，如图2所示的实验设置，它直接检测到PA信号。在此设置中，QCL在11 V和500 mA下驱动，脉冲宽度为250 us，重复频率为1.3 kHz，平均输出功率为50 mW。
图4
声信号由传声器检测，通过放大器和带通滤波器传输，然后送到示波器进行数据采集。例如，图3(A)显示了麦克风检测到的信号的截图，其中麦克风放置在2英寸。远离TNT样本。图4(b)给出了信号在频域的快速傅里叶变换（FFT）频谱。
图5
图3(a)中，黄色走线为电驱动脉冲电压，蓝色走线为电流探头测量电流，紫色走线为麦克风检测到的PA信号。从图3(b)中可以看出，检测到一个强PA信号，信噪比超过15 dB。
图6
如前所述，PA信号强度随1∕r依赖而衰减。为了验证我们操作的频率范围内的关系，我们测量了不同检测距离下的PA信号。图4显示了麦克风放置在2英寸、4英寸、6英寸和8英寸距离时测量到的PA信号。分别远离TNT样本。在这些图片中，横轴为时间轴，尺度为250 μs / division。每个图的紫色走线表示麦克风信号，蓝色走线表示测量电流，黄色走线表示驱动脉冲电压。从测量结果可以看出，当检测距离增加时，扩音信号的幅值不仅会减小，而且扩音信号的测量相位也会发生位移。不同距离处的相位延迟对应于声波从声源传播到不同探测位置的时间延迟。声波在传播过程中，声功率呈1∕r衰减关系，压力波幅值呈1∕r衰减关系。由于工作麦克风测量的是声波压力而不是功率，因此测量到的扩音信号强度与探测距离成反比。在图5中，我们绘制了测量到的PA信号振幅作为距离倒数的函数。数据表明，扩声信号强度与逆距离呈线性关系。
为了进一步扩大探测距离，系统中增加了一个直径为2英尺的抛物面声反射器，以帮助有效地收集声音信号。实验设置与图2所示相同，只是系统中增加了指向TNT样品的声反射器。此外，麦克风位于抛物面反射器的焦点处，面朝指向反射器而不是TNT样本。麦克风连接到电源和前置放大器，然后将信号发送到窄带通滤波器和示波器进行数据采集。
我们还通过将驱动电流增加到800 mA左右（相当于100 mW的平均输出功率）来提高QCL的输出功率。由于商用脉冲发生器的平均驱动功率有限，因此采用功率晶体管的自制放大器来提高电驱动脉冲的电压和电流。在声反射器、滤波器和放大器的帮助下，检测距离延长到8英尺。在这样的距离下，获得了清晰的防区扩音信号。检测到的信号如图6(a)所示，即示波器测量的截图。在图中，黄色的走线是发送到脉冲放大器的脉冲发生器电压信号，绿色的走线是放大后的驱动电压，蓝色的走线是测量到的脉冲电流，紫色的走线是测量到的PA信号。实测PA信号的FFT频谱如图6(b)所示。它在1.3 kHz左右呈现清晰的PA信号峰值，信噪比超过10 dB。
在超过10 dB的高信噪比下，我们的实验装置在当前QCL输出功率水平下可以将距离增加到20英尺以上，并且仍然保持良好的信噪比。在相对安静的条件下，与我们的实验室环境（有噪声）相比，背景噪声可能会进一步降低，信噪比也会大大提高。另一方面，为了将系统移出实验室进行室外操作（甚至更嘈杂的环境），可能需要声波束形成来抑制环境噪声并增强信号强度。已经进行了一项预研究，以比较使用麦克风反射器对阵列或仅使用单个反射器的麦克风阵列[25]。此外，值得注意的是，我们的QCL的输出平均功率相对较低，为100 mW。高QCL功率可以获得更强的扩音信号和信噪比，从而实现更长的距离检测。例如，使用1w QCL输出功率，对于散装TNT探测，探测距离预计将扩展到100英尺以上。用更高的激光功率也可以实现痕量传感。
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