Integrated near-infrared fiber-optic photoacoustic sensing demodulator for ultra-high sensitivity gas detection

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作者
Xinyu Zhao,Chenxi Li,Hongchao Qi,Jiayu Huang,Yufu Xu,Zhengzhi Wang,Xiao Han,Min Guo,Ke Chen
出处
期刊:Photoacoustics [Elsevier BV]
卷期号:33: 100560-100560 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.pacs.2023.100560
摘要

An integrated near-infrared fiber-optic photoacoustic sensing demodulator was established for ultra-high sensitivity gas detection. The demodulator has capacities of interference spectrum acquisition and calculation, laser modulation control as well as digital lock-in amplification. FPGA was utilized to realize all the control and signal processing functions, which immensely improved the integration and stability of the system. The photoacoustic signal detection based on fiber-optic Fabry-Perot (F-P) acoustic sensor was realized by applying ultra-high resolution spectral demodulation technique. The detectable frequency of photoacoustic signal achieved 10 kHz. The system integrated lock-in amplification technology, which made the noise sound pressure and dynamic response range of sound pressure detection reached 3.7 μPa/√Hz @1 kHz and 142 dB, respectively. The trace C2H2 gas was tested with a multi-pass resonant photoacoustic cell. Ultra-high sensitivity gas detection was accomplished, which was based on high acoustic detection sensitivity and the matching digital lock-in amplification. The system detection limit and normalized noise equivalent absorption (NNEA) coefficient were reached 3.5 ppb and 6.7 × 10-10 cm-1WHz-1/2, respectively. The devised demodulator can be applied for long-distance gas measurement, which depends on the fact that both the near-infrared photoacoustic excitation light and the probe light employ optical fiber as transmission medium.

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