隨著中紅外（mid-IR）量子級聯激光器（qcl）的發展，在PA化學檢測和傳(chuan) 感国产成人在线观看免费网站方麵取得了重大進展。使用高功率、可調諧中紅外qcl作為(wei) 激光源，基於(yu) 激光的PA化學傳(chuan) 感器係統性能得到了顯著提高。點微量氣體(ti) 測量的探測靈敏度已達到十億(yi) 分之一甚至萬(wan) 億(yi) 分之一。大多數證明的PA檢測是局部技術和要求化學樣品保存在PA細胞中。另一方麵，出於(yu) 安全考慮，危險化學品如爆炸物或有毒氣體(ti) 將需要一個(ge) 安全距離進行對峙測量。點傳(chuan) 感器係統和技術不適合這樣的国产成人在线观看免费网站。我們(men) 探索了利用超靈敏麥克風和中紅外qcl對露天環境中的爆炸物進行對峙聲源探測的可行性。
利用量子級聯激光和超靈敏麥克風對爆炸物進行對峙光聲探測（二）
在我們(men) 的實驗中，我們(men) 使用了一個(ge) 發射波長接近7.35 μm的QCL。激光器安裝在液氮冷卻的杜瓦瓶中。在LN2溫度下準連續波（準cw）條件下工作，重複頻率為(wei) ~ 1.3 kHz，脈衝(chong) 寬度為(wei) ~ 250 μs。可以調整重複頻率以匹配接收電路濾波器的共振頻率，提高信噪比。低溫LN2工作保證了輸出功率的提高和激光波長的穩定。此外，由於(yu) 擴聲信號與(yu) 激光脈衝(chong) 能量成正比，而不僅(jin) 僅(jin) 是與(yu) 功率成正比，因此為(wei) 了增加擴聲信號的強度，實驗中使用了較長的脈衝(chong) 寬度。中紅外區域的QCL波長和TNT吸收光譜如圖1所示。圖中還顯示了在上述重複頻率和脈寬條件下準連續波工作時的QCL功率電流曲線。在此條件下，QCL的Max平均輸出功率為(wei) 100 mW。QCL的波長約為(wei) 7.35 μm，接近TNT樣品的一個(ge) 強吸收峰。超靈敏麥克風（ACO Pacific 7020） 1英寸。采用直徑法檢測聲信號。麥克風連接到一個(ge) 前置放大器（型號4012）和一個(ge) 電源（型號PS9200），兩(liang) 者都來自ACO太平洋。
圖1
在實驗中，QCL輸出光束被引導到粉末狀的TNT樣品上，TNT樣品被放置在一塊矽晶片載體(ti) 上。矽晶片對QCL波長透明；因此，如果沒有TNT樣品，就不會(hui) 產(chan) 生聲信號。本研究的重點是演示使用直接對峙PA技術檢測散裝TNT材料，而不是研究痕量TNT的檢測。實驗中使用的TNT樣品為(wei) 純晶體(ti) 粉末狀。粒度範圍：100 ~ 500 μm。總共1mg的TNT粉末均勻分布在Si載體(ti) 上約1mm2的區域。
圖2
QCL輸出光束聚焦在目標樣品上，通過固氣加熱耦合產(chan) 生PA信號。在TNT樣品附近放置一個(ge) 超靈敏的麥克風，麥克風可以直接檢測到PA信號。然後將檢測到的聲信號傳(chuan) 遞給低噪聲放大器（Analog Modules, Inc.型號321A-1）和窄帶通濾波器，zui後發送到數字示波器進行數據采集。實驗裝置示意圖如圖2所示。
圖3
在測量過程中，TNT樣品被放置在靠近QCL的固定位置，目的是簡化光學對準和電子排列設置。由於(yu) 實驗室沒有中紅外望遠鏡，我們(men) 將QCL和TNT樣品保持在固定的位置，隻是通過移動麥克風來延長麥克風與(yu) TNT測試樣品之間的距離。當麥克風靠近TNT樣品放置時，如圖2所示的實驗設置，它直接檢測到PA信號。在此設置中，QCL在11 V和500 mA下驅動，脈衝(chong) 寬度為(wei) 250 us，重複頻率為(wei) 1.3 kHz，平均輸出功率為(wei) 50 mW。
圖4
聲信號由傳(chuan) 聲器檢測，通過放大器和帶通濾波器傳(chuan) 輸，然後送到示波器進行數據采集。例如，圖3(A)顯示了麥克風檢測到的信號的截圖，其中麥克風放置在2英寸。遠離TNT樣本。圖4(b)給出了信號在頻域的快速傅裏葉變換（FFT）頻譜。
圖5
圖3(a)中，黃色走線為(wei) 電驅動脈衝(chong) 電壓，藍色走線為(wei) 電流探頭測量電流，紫色走線為(wei) 麥克風檢測到的PA信號。從(cong) 圖3(b)中可以看出，檢測到一個(ge) 強PA信號，信噪比超過15 dB。
圖6
如前所述，PA信號強度隨1∕r依賴而衰減。為(wei) 了驗證我們(men) 操作的頻率範圍內(nei) 的關(guan) 係，我們(men) 測量了不同檢測距離下的PA信號。圖4顯示了麥克風放置在2英寸、4英寸、6英寸和8英寸距離時測量到的PA信號。分別遠離TNT樣本。在這些圖片中，橫軸為(wei) 時間軸，尺度為(wei) 250 μs / division。每個(ge) 圖的紫色走線表示麥克風信號，藍色走線表示測量電流，黃色走線表示驅動脈衝(chong) 電壓。從(cong) 測量結果可以看出，當檢測距離增加時，擴音信號的幅值不僅(jin) 會(hui) 減小，而且擴音信號的測量相位也會(hui) 發生位移。不同距離處的相位延遲對應於(yu) 聲波從(cong) 聲源傳(chuan) 播到不同探測位置的時間延遲。聲波在傳(chuan) 播過程中，聲功率呈1∕r衰減關(guan) 係，壓力波幅值呈1∕r衰減關(guan) 係。由於(yu) 工作麥克風測量的是聲波壓力而不是功率，因此測量到的擴音信號強度與(yu) 探測距離成反比。在圖5中，我們(men) 繪製了測量到的PA信號振幅作為(wei) 距離倒數的函數。數據表明，擴聲信號強度與(yu) 逆距離呈線性關(guan) 係。
為(wei) 了進一步擴大探測距離，係統中增加了一個(ge) 直徑為(wei) 2英尺的拋物麵聲反射器，以幫助有效地收集聲音信號。實驗設置與(yu) 圖2所示相同，隻是係統中增加了指向TNT樣品的聲反射器。此外，麥克風位於(yu) 拋物麵反射器的焦點處，麵朝指向反射器而不是TNT樣本。麥克風連接到電源和前置放大器，然後將信號發送到窄帶通濾波器和示波器進行數據采集。
我們(men) 還通過將驅動電流增加到800 mA左右（相當於(yu) 100 mW的平均輸出功率）來提高QCL的輸出功率。由於(yu) 商用脈衝(chong) 發生器的平均驅動功率有限，因此采用功率晶體(ti) 管的自製放大器來提高電驅動脈衝(chong) 的電壓和電流。在聲反射器、濾波器和放大器的幫助下，檢測距離延長到8英尺。在這樣的距離下，獲得了清晰的防區擴音信號。檢測到的信號如圖6(a)所示，即示波器測量的截圖。在圖中，黃色的走線是發送到脈衝(chong) 放大器的脈衝(chong) 發生器電壓信號，綠色的走線是放大後的驅動電壓，藍色的走線是測量到的脈衝(chong) 電流，紫色的走線是測量到的PA信號。實測PA信號的FFT頻譜如圖6(b)所示。它在1.3 kHz左右呈現清晰的PA信號峰值，信噪比超過10 dB。
在超過10 dB的高信噪比下，我們(men) 的實驗裝置在當前QCL輸出功率水平下可以將距離增加到20英尺以上，並且仍然保持良好的信噪比。在相對安靜的條件下，與(yu) 我們(men) 的實驗室環境（有噪聲）相比，背景噪聲可能會(hui) 進一步降低，信噪比也會(hui) 大大提高。另一方麵，為(wei) 了將係統移出實驗室進行室外操作（甚至更嘈雜的環境），可能需要聲波束形成來抑製環境噪聲並增強信號強度。已經進行了一項預研究，以比較使用麥克風反射器對陣列或僅(jin) 使用單個(ge) 反射器的麥克風陣列[25]。此外，值得注意的是，我們(men) 的QCL的輸出平均功率相對較低，為(wei) 100 mW。高QCL功率可以獲得更強的擴音信號和信噪比，從(cong) 而實現更長的距離檢測。例如，使用1w QCL輸出功率，對於(yu) 散裝TNT探測，探測距離預計將擴展到100英尺以上。用更高的激光功率也可以實現痕量傳(chuan) 感。
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