技术摘要：
本发明提供了一种基于光声谐振探测的太赫兹气体检测系统及方法，所述检测系统包括怀特气体池、太赫兹装置、微针石英音叉系统、信号处理系统以及控制系统。本发明利用太赫兹吸收物质作为光声转换器件，产生光声效应及表面微位移，再利用微针悬臂梁音叉与锁相放大器实现  全部
背景技术：
气体检测技术已经有很长的发展时间了，红外检测技术利用红外线做光源对待测 气体进行辐照，气体吸收光引起透射光强衰减，通过朗伯比尔定律可以计算得到待测气体 的浓度。直接吸收法光程较短，测量精度较差。为了增加气体与激光的相互作用距离，怀特 池和赫里奥特池及差分吸收光谱法相继出现，检测灵敏度获得了提升。光声光谱技术作为 一种高灵敏度的微量气体检测技术近些年已经有了很大的发展，其中所用光源的频率可以 和气体吸收频率一致，其特点是选择性好、灵敏度高。 太赫兹波(THz)有着极为丰富的电磁波与物质间的相互作用效应，覆盖了许多生 物大分子的振动和旋转频率，且包含了电子材料的低能激发频带，而且不存在能够破坏被 检测物质结构的电离损伤。物质在吸收光脉冲能量后也可以通过非辐射跃迁产生可测量的 热物理效应-光声(PA)效应，可以通过探测THz波在光声转化器件中的光声效应进行THz能 量测量，获得比现有方法更高的信噪比和灵敏度，这种独特的探测机理不需要光学探测器， 对探测波长也没有选择性，可应用于紫外到红外以及THz的所有波段。但是，现有太赫兹相 干测量技术仍存在热辐射吸收转化率低、带宽较窄、灵敏度较差的问题，因此，开发用于气 体检测的基于光声效应的高灵敏度、强特异性、高信噪比、宽频带的检测方法具有重要的意 义和应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于光声谐振探测的太赫兹气体检测系统及方法，以 解决现有太赫兹相干测量技术热辐射吸收转化率低、带宽较窄、灵敏度较差的问题。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于光声谐振探测的太赫兹气体 检测系统，包括： 怀特气体池，为方形密闭腔体，在腔体相对的两侧壁各自设有太赫兹透镜窗，在腔 体内设有高反射率凹面镜，在腔体的侧壁上设有进气口、出气口以及压力监控口，所述进气 口与所述冷肼预浓缩装置相连通，在所述进气口和出气口处均设有单向阀，在所述压力监 控口处设有气体压力传感器； 太赫兹装置，设于怀特气体池的左侧，包括飞秒激光脉冲发射器和电光晶体，飞秒 激光脉冲发射器发射的飞秒激光脉冲照射电光晶体产生准连续的THz波，THz波经过电光晶 体的抛物面镜准直聚焦到怀特气体池中，并与待测气体作用后射出怀特气体池，透射的THz 波经过光学斩波器后变为THz脉冲； 光声转换器件，设于怀特气体池的右侧，在光声转换器件上设有石墨烯薄膜，THz 脉冲入射到光声转换器件表面，并通过光声效应引起石墨烯薄膜发生绝热膨胀； 4 CN 111595787 A 说　明　书 2/5 页 微针石英音叉系统，设于光声转换器件的右侧，包括悬臂梁音叉以及设于悬臂梁 音叉顶端的微针，微针的针尖与石墨烯薄膜相距若干纳米，所述悬臂梁音叉在与其谐振频 率f0同频的电压激励下处于谐振状态，当光声转换器件表面振动时，将引起悬臂梁音叉振 幅、频率、相位振动状态改变，进而将振动信号传递给信号处理系统； 信号处理系统，与所述微针石英音叉系统相连，信号处理系统根据悬臂梁音叉输 出的振动信号获得石墨烯薄膜振动信息，然后通过光声转化效率值计算得到透射THz波能 量，进而根据THz波透射率计算出待测气体的浓度。 所述悬臂梁音叉由具有压电效应的U型臂构成，其中，在U型臂的一个臂的顶端固 定所述微针，微针为微型的钨针，钨针的轴向与悬臂梁音叉的振动方向平行。 所述石墨烯薄膜制备过程为：利用Hummers法制备氧化石墨烯，然后利用电化学方 法制备氧化石墨烯溶液，把制备好的氧化石墨烯溶液通过真空抽滤成膜，干燥后在膜表面 喷涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成隔热层。 所述怀特气体池为长为130cm、宽为110cm、高为30cm的密闭腔体。 所述高反射率凹面镜有四个，分别设于腔体的四周位置，入射的THz波在怀特气体 池内的高反射率凹面镜之间进行连续反射后的光程为2.5-3.5m。 所述怀特气体池设有干燥机连接口，怀特气体池通过干燥机连接口与空气干燥机 相连。 冷肼预浓缩装置，用于去除待测气体中的水分，从而排出浓缩的待测气体分子。 一种基于光声谐振探测的太赫兹气体检测方法，包括以下步骤： a、设置上述检测系统；启动所述检测系统，控制怀特气体池的湿度在3％以下，并 将温度偏差控制在0.2℃以下，然后将待测气体导入怀特气体池中； b、太赫兹装置发射THz波进入怀特气体池，经过待测气体吸收后强度衰减，射出怀 特气体池的THz波经过光学斩波器后变为THz脉冲；THz脉冲入射到光声转换器件的石墨烯 薄膜并产生光声效应，引起石墨烯薄膜发生界面振动； c、悬臂梁音叉在与其谐振频率f0同频的电压激励下处于谐振状态，石墨烯薄膜振 动通过原子力传导到微针，并引起悬臂梁音叉振动状态改变，通过跨阻放大器检测悬臂梁 音叉压电效应产生的微弱电流变化，进而获得反映悬臂梁音叉振幅的电压输出，将所得的 信号输送至信号处理系统进行分析处理； d、信号处理系统通过锁相放大电路测量悬臂梁音叉输出的电压信号变化，经反演 计算可获得石墨烯薄膜振动信息，然后通过光声转化效率值计算得到透射THz波能量，进而 可计算得到待测气体浓度。 在测量过程中，需监测并保持怀特气体池内的压力和温度稳定在预先设定的目标 值。 与现有技术相比，本发明有以下有益效果： (1)THz探测器件基于光声效应原理，能够在常温工作，工作频率范围宽，等效噪声 功率小。 (2)通过锁相放大器和高品质因数音叉提高了检测灵敏度，可以实现快速响应，能 够测量微弱脉冲THz能量。 5 CN 111595787 A 说　明　书 3/5 页 附图说明 图1为本发明检测方法流程图。 图2为检测系统的结构示意图。 图3为基于微针悬臂梁音叉的光声信号探测原理图。 图4为悬臂梁音叉光声信号探测电路原理图。 图中：1、飞秒激光；2、电光晶体；3、反射镜；4、太赫兹透镜窗；5、温湿度表；6、出气 口；7、怀特气体池；8、高反射率凹面镜；9、进气口；10、斩波器；11、信号检测放大模块；12、微 针石英音叉系统；13、石墨烯薄膜；14、锁相放大器；15、压力监控口；16、控制系统；17、空气 干燥机。