[发明专利]一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器

说明书

本发明公开了一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，包括石英音叉、蜂鸣器、高频振荡电路、信号放大检测电路，石英音叉利用其表面接收入射光信号，高频振荡电路与蜂鸣器连接，信号放大检测电路与石英音叉电连接。本发明结构简单，设计合理且易实现，体积小，操作过程简单，可作为一种带自校准功能的光声池用于石英增强型光声光谱研究，也可以作为一种光电探测器用于光电检测技术中光信号的检测，亦可用于气体压力的测量。

技术领域

本发明涉及激光吸收光谱技术和石英音叉光声光谱测量装置领域，具体是一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器。

背景技术

激光吸收光谱技术具有高灵敏度、高分辨率、时间响应快和无损分析等优点，因而被广泛地应用于大气环境监测、工业处理控制、燃烧成分检测和呼吸气体诊断等领域。光电探测器作为该技术中的核心器件之一, 主要是基于电磁辐射与物质相互作用过程中所呈现的物理效应来实现光电转换, 其性能很大程度上决定了激光光谱系统的灵敏度。目前光电探测器种类繁多, 依据不同的探测机理, 通常分为热电探测器和光子探测器, 分别基于光与介质相互作用时的热电效应和光电效应。然而, 该类探测器的主要问题是, 受探测器所用介质材料的自身特性限制, 波长或频率响应带宽有限, 无法满足整个电磁波范围内的全波段响应。此外, 中红外对应着大多数分子的强吸收基频带, 是发展高灵敏激光吸收光谱的理想波段, 目前该波段的光电探测器主要有碲镉汞探测器和量子阱探测器, 总体上成本较高。

光声光谱是以美国著名科学家A.G. Bell于1880年发现的光声效应为基础的高灵敏、高动态范围及仪器结构简单的光谱技术，属于光热光谱的范畴。光声光谱技术主要是通过测量样品由于温度的变化而产生的压力波（即声波），从而实现对样品的光学、热学、声学以及其他性质的测量, 本质上有效避免了直接吸收光谱中光电探测器带宽限制问题。随着光声光谱技术的发展, 2002年美国莱斯大学的A.A. Kosterev等人报道了一种基于石英音叉的新型光声光谱，即石英音叉增强型光声光谱（QEPAS）。QEPAS基本原理是利用时钟频率稳定元件的振荡特性，即石英调谐音叉，代替传统的麦克风作为声信号探测器，极大的推动了光声光谱技术的发展。而实际应用中，受环境因素的影响(如压力，温度和湿度等)，石英音叉谐振频率的变化，将会很大程度上影响系统的检测灵敏度。

目前，现有技术中采用石英音叉的光测量装置多作为光声池使用，即利用光信号激发目标物产生声波的光声效应，再基于声波与石英音叉的共振实现对目标物的测量，尚没有利用石英音叉直接作为光电探测器的技术。

现有的研究中，基于石英音叉的光声光谱法进行气体检测都已得到实际应用，如申请号为201110362043.0, 201410566870.5和201710010380.0的中国专利。实际上, 目前所有这类相关的专利均是基于光声效应的原理, 使入射光穿过石英音叉叉臂之间进行测量的。

发明内容 本发明的目的是提供一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，以实现石英音叉的光电探测器功能。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，其特征在于：包括石英音叉及信号放大检测电路，所述石英音叉通过其呈现音叉形状的表面接收光信号，所述信号放大检测电路与石英音叉电连接；

入射光信号调制频率和石英音叉本征频率匹配时，石英音叉共振，石英音叉共振时由于石英材质的压电效应石英音叉感应出压电电信号，所述信号放大检测电路放大并检测压电电信号，且压电电信号与入射光光强呈线性函数关系，利用石英音叉压电电信号与入射光光强之间满足的线性响应函数关系实现光电探测器功能。