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对话学者:何应

你好,能否介绍简单一下自己和你们课题组?

我是何应,博士二年级,来自哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室。我的导师是于欣教授、马欲飞教授。我的博士研究课题是利用可调谐激光开发新型的痕量气体传感技术,比如可调谐二极管吸收光谱 (TDLAS), 光声光谱 (PAS),石英增强光声光谱 (QEPAS)等。其中QEPAS是一种新颖的吸收式光谱技术,它由莱斯大学 (Rice University) 的诺贝尔奖获得者Robert F. Curl教授和国际知名激光专家Frank K. Tittel教授共同发明。在他们课题组,马欲飞老师将此技术学成,在归国后开展了多年的研究工作。

吸收光谱、光声光谱/石英增强光声光谱的基本原理是什么?主要应用是什么?

光声光谱是在吸收光谱的基础上发展而来的。他们是通过测量探测光经过吸收池后痕量气体吸收激发光源产生的声波来对气体浓度进行探测的。为了得到吸收光谱,我们要连续调节光源的波长,一般通过调节发光二极管的注入电流实现。为了得到更好的信噪比,抑制1/f噪声以及环境噪声,我们会对注入电流进行高频调制,进而利用谐波探测技术来进行信号的解调。

吸收光谱和光声光谱的区别在于检测端。吸收光谱是用光电探测器来检测经气体吸收后的光强变化信号,而光声光谱是用麦克风或者石英音叉来对系统产生的声波进行检测。

他们可以实时监测气体成分,并给出定量的信息。他们的应用非常广泛,主要用于环境检测、燃烧场分析、生物医学病理分析等。比如,大气中的污染气体,矿山里的甲烷等危险气体的监测,和汽车尾气分析,火箭发动机等燃烧场的分析等。

你的实验系统中有应用到Zurich Instruments的中频锁相放大器MFLI。它的作用是什么? 有哪些工具对你特别有用?

MFLI不仅仅是个锁相放大器,更是一个信号测试分析的综合平台。而且这些非常实用的工具都是免费的。当然,它的基本功能是用来解调探测端的信号。在TDLAS以及QEPAS实验中,我们是测量光电探测器、石英音叉产生的二次谐波信号。在QEPAS实验中,我们首先需要测量石英音叉的工作参数。为了确定音叉的谐振频率和Q值,可以用MFLI自带的参数扫描仪Sweeper测量音叉的频率响应曲线,非常便捷、准确。我们发现MFLI的参数扫描仪是一个非常有用的工具,它不仅可以用来做频率响应分析,而且还可以扫描几乎任何参数。可以用它进行调制深度的优化,即正弦波扫描调制信号的幅度优化测试;石英音叉中心频率的精细优化;产生激光波长调谐所用到的锯齿波等。在测量过程中,总会出现结果错误的情况,用Scope功能我几乎可以查看仪器内部几乎所有的信号,帮助我分析是哪个步骤出现了问题。仪器不再是一个黑盒子。还有就是MFLI的Plotter功能,它可以在线分析解调实验结果的信号幅值、噪声水平,即快速提取谐波信号峰值;连续检测中,信号的平均值、噪声方差等,使得我能够更便捷的得到最佳的信噪比。 有了这些工具,我甚至不需要自己编程,也不需要保存大量数据来做离线分析。

目前,你的项目取得了哪些成果?最自豪工作是什么?

我们针对QEPAS技术开展了多年的研究工作,已在Sensors and Actuators B、Applied Physics Letters、Optics Express等著名期刊以及本领域最高水平国际会议CLEO上发表几十余篇学术论文。

我最得意的工作是我们最近才完成的工作,我们提出了一种基于石英音叉的新型石英增强光-热-弹光谱技术 (LITES),实现了痕量气体传感的高灵敏度、非接触式测量。在传统的光声光谱探测器系统中,不管是音叉还是麦克风,都是与待测气体直接接触的,因为他们是基于声波的测量来检测气体吸收情况。而在一些测量中,气体可能是腐蚀性的,或者其中的水汽、杂质可能凝结在探测器上。这样,探测器的稳定性和性能都会受到影响,灵敏度也会下降。而我们发现了一种解决办法,即利用探测光在音叉上产生的光-热-弹效应,会致使音叉产生共振。这样,音叉可以置于气室之外,就可以实现非接触式的检测。我们已经初步通过实验验证了我们这项技术,它的探测极限比TLDAS和QEPAS提升5-20倍及以上,相关研究工作已发表在光学领域知名期刊Optics Letters上。

因为具有超高的灵敏度、优异的探测性能,这项技术被推荐为“2019中国光学十大进展”候选之一。

你们是如何发现光致热弹效应的?

哈尔滨工业大学马欲飞教授课题组团队针对石英光谱气体传感技术开展了多年的研究工作,我从硕士开始便从事石英音叉光谱式气体传感研究。所以说,我们团队在这个方向上有着很深的技术积累。为开发新的技术, 我们针对石英音叉的应用研究开展了大量的文献调研工作。石英音叉在诸多领域有着广泛的应用,如原子力探针、陀螺、位移传感、气体传感等。我们针对石英音叉在原子力探针研究中所用到的光致力原理,抱着尝试的态度,开展了基于此原理的气体传感研究。实验结果当然是出乎大家预料的。通过我们的研究表明,石英音叉光-热-弹的这种内在转换机理更能准确地表述其在气体传感中的物理现象。此外,我们还将其与TDLAS、QEPAS技术进行了实验对比,结果证明此技术有着更加优异的探测性能。

你正在做的项目是什么?

我现在主要针对LITES技术开展多方面优化工作的研究。由于目前只是初步实现了此种想法,还有大量的、系统的研究工作需要进行。所以,我将利用前期在QEPAS技术研究基础上的经验,全面开展相应的性能提升工作,同时把该技术向实际应用的产品化推进。

除了科研之外,你有什么爱好?

除了科研、学习之外,我喜欢听歌、旅游、游泳、骑行、以及许多有趣的户外活动。我也喜欢玩航模,特别是固定翼的操控飞行。
 

Ying He

何应来自中国哈尔滨工业大学,研究课题为新型痕量气体传感技术

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