哈工大航天学院马欲飞课题组实现光致热弹光谱传感器多维度升级

哈工大全媒体（商艳凯 苏胜新/文）近日，航天学院马欲飞教授课题组实现光致热弹光谱传感器多维度升级，相关研究成果以《一种基于密集光斑多通池和新型低频石英音叉的高灵敏度光致热弹光传感器》（A highly sensitive LITES sensor based on a multi-pass cell with dense spot pattern and a novel quartz tuning fork with low frequency）为题发表于《光电进展》（Opto-Electronic Advances，OEA）。

光致热弹光谱(Laser-Induced Thermoelastic Spectroscopy，简称LITES)是2018年由马欲飞教授团队首次提出的一种光谱式气体传感技术。该技术具有选择性强、灵敏度高、响应迅速等优点，同时基于石英音叉热弹效应的光探测器具有极大的响应带宽，能够克服传统光电探测器光谱响应范围窄的缺点。该技术可用于气体的全波段光谱检测，在工业生产、医疗诊断及火灾预警等领域有着十分重要的应用价值。随着研究的深入，光致热弹光谱已被证明是一种稳定且灵敏度高的气体传感技术。  

为提高光致热弹光谱传感性能，课题组从增大激光功率、增加气体吸收程和使用新型低频石英音叉探测3个维度对气体传感系统进行优化升级，实现了对目标气体的高灵敏度测量。课题组通过使用掺铒光纤放大器增大激光功率，并设计了一个新型的光斑密集型光学多通池作为气体吸收池，同时为了获得更大的探测信号，设计了一款新型的低频石英音叉作为探测元件，与常见的商用石英音叉相比，频率下降了约70%，并能提供更长的能量积累时间，极大提升了光致热弹光谱系统的检测性能。课题组依据搭建的C₂H₂-LITES传感器浓度测试结果，证明了系统具有优异的浓度线性响应，使用新型石英音叉的探测灵敏度更高，检测性能是使用商用石英音叉的近2倍。

马欲飞教授为论文唯一通讯作者，课题组硕士研究生刘亚辉为论文第一作者，课题组博士研究生乔顺达和孙海岳、硕士研究生房超、何应副教授及仪器学院刘俭教授等参与相关研究工作。

该研究获国家自然科学基金(优秀青年基金、重点项目)、哈工大青年科学家工作室等项目资助。

论文链接:https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2024.230230

LITES传感器结构示意图

(a)石英音叉实物图 (b)商用石英音叉（绿色）和新型石英音叉（红色）的频率响应曲线

C₂H₂-LITES传感器的浓度测试结果：

(a)使用商用石英音叉时的2f信号 (b)使用新型石英音叉时的2f信号

(c)使用商用石英音叉时的浓度线性响应 (d)使用新型石英音叉时的浓度线性响应