山西大学董磊教授团队提出了一种创新的基于差分共振光声池的傅里叶变换光声光谱无背景气体传感技术。该技术充分融合了傅里叶变换光谱和光声光谱的优势，实现了无背景的气体宽带检测。研究表明，这一技术具备多气体同步检测和全波段检测的潜力，为气体传感领域提供了全新的技术解决方案。
傅里叶变换光声光谱技术是一种将傅里叶变换光谱技术的宽光谱优势与光声效应的高灵敏度、无背景干扰及无波长选择性特点相结合的光谱分析方法。凭借其高灵敏度和多功能性，傅里叶变换光声光谱技术已成为气体定性和定量分析的重要工具，为科学研究和实际应用提供了显著支持。近年来，傅里叶变换光声光谱技术引起了学术界的广泛关注，并进行了深入研究。然而，目前的大多数研究主要集中在傅里叶变换光谱技术与非共振光谱测声模块的结合上，而针对其与共振光谱测声模块结合的研究相对较少。此外，在宽带测量、多组分气体同步测量以及全波段检测等方面的研究仍未得到充分展开。
针对当前研究现状，山西大学董磊教授团队提出了一种基于差分共振光声池的傅里叶变换光声光谱技术，成功实现了在1-10 μm波段范围内的无背景、高灵敏度气体检测。这项技术有望突破全波段检测的瓶颈，对太赫兹域的研究具有重要意义。相关研究成果已发表在Chinese Optics Letters 2024年第22卷第10期上（X. Liu, et al., “Differential photoacoustic cell-based Fourier transform photoacoustic spectroscopy for background-free gas detection”），并被选为当期封面论文。山西大学激光光谱研究所的董磊教授和武红鹏教授为论文的通讯作者，博士研究生刘小利为第一作者。
封面展示了基于共振光声池的傅里叶变换光声光谱技术宽带气体传感的过程，宽带光源经过迈克尔逊干涉仪后，与目标气体相互作用产生声信号。声波在共振光声池内形成驻波场从而实现了声信号的增强和放大。通过采集处理这些信号，验证了该技术在气体宽带检测方面的能力。
基于共振光声池的傅里叶变换光声光谱实验装置如图1（a）所示。该系统采用了差分共振光声池，并在光声池的共振频率下引入了幅度调制，实现对宽带光源所有频率成分的统一调制。经过调制器的幅度调制和迈克尔逊干涉仪的相位调制后，宽带光源被整形并导入光声池，与目标气体发生相互作用。目标气体吸收宽带光源后产生的光声信号通过两个麦克风进行差分检测，并送入锁相放大器进行1f解调。解调后的信号经过傅里叶变换处理，以提取目标气体的宽带吸收特性。双通道差分共振光声池内部的声场分布特征如图1（b）所示。当光声池在其共振频率下工作时，气体在一个腔室内被压缩，同时在另一个腔室内膨胀，表现出类似活塞的运动行为。这导致两个声学谐振腔中的压力以相反的相位振荡，形成振幅相等但相位相反的声场。在这种配置下，来自窗口的背景噪声、外部环境干扰、流动噪声以及气体通过光声池时产生的其他噪声分量保持同相。通过对双通道谐振腔中麦克风采集到的信号进行相减，可以有效放大光声信号的幅度，同时显著抑制噪声干扰。
图1(a) 实验装置示意图，(b) 差分共振光声池内的声场分布
图2显示了系统对甲烷和乙炔气体的单次检测结果，获得了这两种气体在光源光谱范围内的完整吸收谱图，展示了1-10 μm波段的检测能力。这一结果对多气体同步检测和全波段检测具有重要的推动作用。
图2(a) 甲烷气体的吸收谱图，(b) 乙炔气体的吸收谱图
综上所述，该研究开发了一种基于共振光声池的傅里叶变换光声光谱无背景气体传感技术。论文第一作者、山西大学博士研究生刘小利表示，这项技术有望实现全波段检测，对太赫兹波段检测具有重要意义。未来，团队计划结合石英音叉光谱传感技术的超连续光谱响应特性与傅里叶变换光谱技术，深入探索其在相关领域的应用潜力。
刘小利，山西大学激光光谱研究所博士研究生。研究方向为应用光谱技术。
武红鹏，山西大学激光光谱研究所教授、博士生导师。主要研究方向为激光光谱技术的痕量气体传感。主持国家和省级项目10余项。以第一作者或通讯作者在Nature Communications, Light: Science & Applications，ACS Sensors, Applied Physics Letters 等期刊发表学术论文36篇，申报中国和美国发明专利15项。
董磊，山西大学激光光谱研究所教授、博士生导师。主要从事激光光谱传感技术在工业、环境、电力、医疗等领域的应用基础研究，主持国家及省部级项目20余项。近五年，在国内外重要期刊上发表论文53篇。
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