電閃雷鳴、震耳欲聾、輕聲細語、未見其人，先聞其聲等不僅是我們耳熟能詳的詞語，也描述了生活中的光聲現象。
近年來，人們利用光聲信號強度與激發光源強度呈正比的特性，通過增強激發光源的強度來提升被吸收的有效激光能量，以激發更強的光聲信號，從而提高基于光聲光譜技術的氣體傳感器性能。按照其工作原理此類方法可以分為功率放大型、外腔功率增強型、激光器內腔功率增強型幾類光聲光譜技術。
功率增強型光聲光譜氣體傳感
01、功率放大型光聲光譜技術
以固體激光器和氣體激光器為代表的大功率激光器的發展，基本上滿足了光聲光譜氣體檢測對大功率激勵光源的需求，但研究人員在實際需求中傾向于使用結構緊湊、成本低、穩定性好的可調諧半導體激光器，其中以響應速度快、窄線寬的分布反饋式半導體激光器的應用最為廣泛，但該類型激光器的輸出功率只有十幾毫瓦，限制了光聲光譜氣體傳感器的性能。
光纖通信行業的發展大大促進了光纖放大器的開發和應用。
摻鉺光纖放大器(EDFA)的基本結構如圖1(a)所示(WDM表示波分復用器)，其中摻鉺光纖(EDF)是EDFA的核心器件，在石英光纖中摻雜入微量Er3+制成。EDFA通常選用與較大Er3+吸收截面相對應的980 nm或1480 nm大功率激光器作為抽運激光，具有高增益、低噪聲、偏振無關、光纖兼容性好、功率增益穩定等性能。光放大技術彌補了近紅外波段激發光源的低功率和吸收譜線的弱吸收強度。
圖1 (a) EDFA結構圖;
(b)功率放大型光聲光譜技術的基本原理
此類提升激光功率的方法原理清晰、易實現。但功率放大器的性能決定了對激光器功率放大的上限和激光器可放大的波長。
為突破光放大器性能對功率的限制，研究人員嘗試借助多光程腔或外腔增強的方法來提高聲諧振腔內的功率。同時，多光程腔內激光的多次往返特性使得激光器的光強得以積累，因此多光程腔可以用來提升光聲光譜氣體傳感器的探測靈敏度。
多光程聲諧振腔可以有效積累光能以激發出較強的光聲信號，通過優化腔體設計可以將能量積累的倍數進一步提高到幾十倍。
研究者們已通過采用反饋技術Rossi等采用反饋技術將激光器的出射波長與線形增強腔(法布里-珀羅腔)的腔模式鎖定，在法布里-珀羅腔內積累激光能量，利用強度調制激發光聲信號，實現了對光聲信號100倍的增強效果。
2014年，Italian National Research Council的Borri等結合腔增強吸收光譜技術和石英音叉設計了小型蝶形增強腔(總體積約為12cm3)，通過壓電陶瓷(PZT)調節腔體長度將增強腔的模式鎖定在激光器波長上。與其他腔增強型光聲光譜不同，此技術巧妙地利用了壓電陶瓷的有限反饋帶寬，實現了激光器的慢速掃描和快速調制均可由加載于激光器上的電流來驅動。
03、激光器內腔增強型光聲光譜技術
激光器類型多樣，包括固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器以及自由電子激光器等。任何激光器腔內的光功率要遠高于其輸出光功率，這一特性為光聲光譜技術滿足大功率激光的需求提供了一種思路，即將光聲池置于激光器的光諧振腔內部，充分利用激光器腔內的高功率。
1987年，R?per等提出并驗證了這種方法的可行性，Harren等則實現了真正意義上的激光器內腔增強型光聲光譜氣體傳感。
雖然氣體激光器腔內的功率非常大，且單色性要好于其他一般類型的激光器，但其體積龐大且價格昂貴，限制了氣體激光器內腔光聲光譜技術的廣泛應用。截至目前，該類技術只被用于實驗室環境下的研究。基于其他類型激光器的內腔光聲光譜技術也已有報道，2017年，香港中文大學Wang等將激光器內腔增強型光聲光譜技術的研究拓展到了光纖激光器領域。光纖激光器內腔增強型光聲光譜系統的結構設計簡單，成本低，適合在實際應用中進一步推廣。
光纖激光器內腔增強型光聲光譜
在光聲光譜氣體檢測領域，由于光纖激光器獨特的技術優勢，將激光器內腔增強型光聲光譜技術與成熟的光纖激光器技術結合，在簡化系統結構、降低操作難度、提升氣體傳感的便攜性及降低應用成本等方面，具有十分重要的意義。以摻鉺光纖激光器為例，為大家介紹光纖激光器內腔增強型光聲光譜技術中的關鍵技術和相關技術的最新進展。
01、 激光技術
光纖通信行業的迅速發展大大豐富了通信波段內光學器件的種類，為傳感領域提供了一大批性能優越、價格合適的儀器設備。選擇摻鉺光纖激光器作為光源來介紹光纖激光器內腔增強光聲光譜，主要有以下兩個原因：
在光纖通信領域，1.55 μm(C波段)是一個重要的低損耗窗口，摻鉺光纖激光器可提供這一波段的光源；
C波段覆蓋1520~1570 nm的光，在這一波段內存在多種氣體分子的吸收譜線。
對于幾乎所有的激光器而言，激光輸出是腔損耗的重要組成。與其他激光器不同，激光器內腔光聲光譜技術需要的激勵光源為激光器諧振腔內部形成的激光，不需要任何激光輸出(少量的激光輸出僅用作對激光器內部運行狀態的監測)。因此，在光纖激光器內腔光聲光譜系統中，這一特點可以減小腔內損耗，進一步提升激光諧振腔內的有效光功率。
光聲池中光聲信號的產生對應于氣體分子對激光的周期性吸收，因此需要對激光器進行調制才能產生光聲信號。在光聲光譜氣體傳感領域，調制激光器的通用技術方案是波長調制或強度調制。激光器的調制頻率一般與聲諧振腔的共振頻率f0相對應，例如:波長調制頻率一般等于f0或f0/2，以分別激發出光聲一次諧波信號和二次諧波信號； 而強度調制的頻率一般等于f0，以激發出較強的光聲信號。
當光纖激光器作為光源應用于傳感時，其起振波長通常由光纖可調諧濾波器或光纖光柵(FBG)等器件主動控制。部分波長調制技術也可以直接應用于光纖激光器內腔光聲光譜系統，但商用光纖可調諧濾波器的價格普遍較高，而且性能不一。
最常見的激光強度調制方式是利用斬波器或光開關實現激光的周期性通斷，而光纖激光器內如果采用類似的器件對激光進行強度調制，就可獲得高功率的脈沖激光。這是因為腔內激光被周期性切斷時，對應諧振腔內的腔損耗被周期性改變，當腔內摻鉺光纖在高損耗狀態下積累的能量在低損耗狀態快速釋放而發出激光時，就會形成高功率調Q激光。
03、聲波檢測技術
聲波的信噪比是決定光聲光譜探測靈敏度的重要因素，這主要依賴于聲波檢測技術，特別是聲傳感器件的性能。當前，應用于光聲光譜的常見聲波傳感器主要包括電動式/電容式麥克風、石英音叉和激光干涉式聲壓傳感器，如圖8所示。
電動式麥克風通過聲膜切割磁感線實現聲電轉換，是最早被用于光聲光譜系統的聲波傳感器，但其頻率響應有限。
電容式麥克風主要通過靜電感應來實現聲電轉換，結構更為緊湊，應用更為廣泛。但由于其較寬的頻率響應，這類聲波傳感器容易受到環境聲學噪聲的影響，很難實現高靈敏度聲波探測，其檢測環境通常需保持極安靜或配合差分式光聲池使用。
基于石英音叉的光聲光譜(QEPAS)技術是光聲氣體傳感領域的重大革新，采用石英音叉替代麥克風來探測聲波，用敏銳(赫茲量級諧振帶寬)的聲波共振器件替代共振光聲池來積累聲波能量。經過十多年的發展，該技術已經應用于環境監測、工業生產、農業生產、醫學診斷等。但當前的商用石英音叉無法檢測低弛豫率的氣體分子，也無法采用發光二極管(LED)、光纖放大激光、太赫茲激光等光束質量不高的光源。
另外，光聲信號的大小與石英音叉的諧振頻率、品質因數等參量相關，需要經常對石英音叉進行校準，以保證氣體分子濃度測量的準確性。盡管微音器和石英音叉都能實現對聲波的高靈敏傳感，但使用過程中的帶電屬性限制了其在強電磁干擾區或探測目標為易燃、易爆氣體時的應用。
激光干涉式聲壓檢測是另外一類可用于光聲光譜的全光型聲傳感器。這類聲傳感器通過干涉解調能實現非常高的探測靈敏度，但因制造工藝復雜，目前的研究大都限于實驗室內，尚未得到大規模應用。
04、優缺點分析
光纖激光器內腔增強型光聲光譜結合了光聲光譜技術和光纖激光器技術的優點，是一種新型的氣體傳感技術。除了無背景檢測、無需任何光電探測器，以及避免了吸收光譜技術中的干涉噪聲外，還具有高功率激發光源、無激光輸出的光源結構、系統結構更緊湊的獨特優點。
激光器內腔增強型光聲光譜技術可能存在的一個缺點是，其可探測氣體濃度的線性區小于外腔光聲光譜。這主要是因為目標氣體分子對激光器腔內激光的吸收貢獻了一部分腔損耗，使得內腔光功率在腔內氣體濃度高時會有所下降，影響了光聲信號與氣體濃度的線性關系。目前，可通過縮短腔內有效吸收距離等手段來降低內腔損耗對線性區間的影響，使其線性探測范圍更接近外腔光聲光譜法。
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