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随着社会发展,工业化进程的不断加快,各种有毒、有害的污染性气体排放导致了人类赖以生存的大气环境正在不断恶化,温室效应、酸雨、雾霾等自然灾害现象层出不穷。对大气中的痕量气体、工业排放的各种污染性气体等进行精准有效的监测,是指导人与自然和谐共处、绿色可持续发展的重要举措。因此,开发具有识别精度高、响应时间短、探测灵敏度高、结构紧凑且价格低廉、可实时监测目标气体浓度的气体传感器具有十分重大的研究意义和应用价值。在众多的气体传感技术中,激光光谱技术由于具有高灵敏度、高分辨率、可选择性、实时原位探测等特性,已经被广泛应用于大气环境、工业过程控制、人体呼吸气成分分析、能源勘探等领域的各类型气体传感器的研制开发。近年来,得益于石英音叉的高品质因子、抗干扰、微型化、价格低、无波长响应带宽限制等优点,基于石英音叉探测器的气体传感器研制及相关光谱技术优化成为激光光谱领域的研究热点。本论文基于吸收光谱、光声光谱技术以及石英音叉探测器相关技术原理,开展了以下几方面的研究内容:1、提出一种基于石英音叉探测器的双光谱探测技术。首先将石英音叉密封在自行设计加工的气体光声池内,研究了音叉探测器的光声光谱响应特性,利用外腔式量子级联激光器（External cavity quantum cascade laser,ECQCL）针对挥发性有机物（Volatile organic compounds,VOCs）乙醇气体进行了实验分析。然后利用两个共振频率均为32751Hz的石英音叉,分别作为光声信号以及直接吸收信号探测器件,搭建了一套针对N2O的双光谱探测系统,该系统可以分别对光声光谱信号和直接吸收光谱信号进行探测,也可以实现两种光谱信号的同时探测,并且利用双光谱效应可以实现一种光声光热相互叠加的双光谱信号测量。实验结果表明,N2O的双光谱信号相比较于该系统相同气体浓度下的光声光谱信号信噪比提升了4-7倍,能够有效提升气体传感器的探测灵敏度。2、提出一种基于石英音叉探测器的多频调制光谱探测技术。利用石英音叉的谐振特性和压电效应,在音叉共振频率响应带宽范围内建立了一种基于快速傅里叶变换算法的多频调制技术。在该技术的基础上,利用石英音叉的全波段响应特性,成功实现了近红外以及中红外波段CH4气体的高灵敏度同时探测,CH4的探测极限分别为5ppm、3.5ppm,对应归一化噪声等效吸收系数（Normalized Noise Equivalent Absorption Coefficient,NNEA）分别为1.33×10-9 cm-1W/Hz1/2、2.20×10-10 cm-1W/Hz1/2。另外基于单个石英音叉和三个半导体激光器搭建了一套便携式多组分气体同时探测系统,实现了H2O、CO2、CH4三种气体同时探测,结果表明,三种气体的检测限分别为1.4 ppm、353ppm和3.1 ppm,对应NNEA分别为2.65×10-10 cm-1W/Hz1/2,8.09×10-10 cm-1W/Hz1/2,8.28×10-10 cm-1W/Hz1/2。实验证明通过使用光纤功率放大器可以在一定范围内进一步提高系统灵敏度。并且该光谱技术与基于多个光电探测器的传统直接吸收光谱技术传感系统相比,具有更容易光学对准、成本更低以及更紧凑便携的显着优势。3、提出一种基于石英音叉的2f/1f-WMS技术。采用一种新型的激光波长调制策略结合上述研究内容中的频分复用解调算法实现了同时检测波长调制光谱技术（Wavelength modulation spectroscopy,WMS）中的一次谐波（1f）和二次谐波（2f）信号。通过大气环境中H2O进行测试,与常用的1f或2f检测方法相比,结果表明所提出的2f/1f-WMS技术对一些典型环境干扰因素（如光强抖动、气体扰动、机械振动）引起的光强变化具有良好的免疫力,这证明它在外部现场尤其是恶劣环境中具有很大的应用潜力。4、提出一种石英音叉光热探测性能的增强方法。通过在石英音叉表面涂敷二维半导体吸热材料—超薄铁掺杂氧化钴（Fe-Co O）涂层来提升石英音叉表面的光热吸收效率,从而提升石英音叉的探测灵敏度。实验对传统裸音叉和涂敷吸热材料的石英音叉进行了对比实验和模拟分析,研究结果表明,涂敷吸热材料的石英音叉表面温度升高,形变增大,并且音叉的共振频率信号幅值由原来的0.43 V提升到了2.7 V,品质因子Q从4014增加到9417,具有显著的增强效果。利用此石英音叉进行CH4浓度探测,在1 s的积分时间下探测极限为880 ppb,对应NNEA为2.2×10-10 cm-1W/Hz1/2。综上所述,本论文针对石英音叉应用在光谱探测领域的难点以及相关技术需求,开展了石英音叉光谱信噪比提升、单个石英音叉多组分气体同时探测、以及新型石英音叉2f/1f-WMS技术、石英音叉的探测性能优化等光谱检测技术研究。相关技术可应用于大气痕量气体、温室气体以及挥发性有机物等气体分子实时在线监测。