哈工大航天学院马欲飞课题组实现基于新型激励源的光声光谱超高灵敏度双组分气体检测

哈工大全媒体（商艳凯 苏胜新 文/图）近日，航天学院马欲飞教授课题组实现基于新型激励源的光声光谱超高灵敏度双组分气体检测。相关研究成果以《利用长波长、高功率、宽调谐、单纵模固体激光器实现基于光声光谱的超高灵敏度双组分气体检测》（Ultra-highly sensitive dual gases detection based on photoacoustic spectroscopy by exploiting a long-wave, high-power, wide-tunable, single-longitudinal-mode solid-state laser）为题发表在科技期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。

光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy, 简称PAS）作为一种激光吸收光谱式气体传感技术，具有气体选择性好、检测灵敏度高、响应速度快等优点，在环境监测、火灾预警、医学诊断等领域中具有重要的应用价值，而激励源作为传感器系统中的核心单元对系统的检测性能起到决定性的作用。为了实现对多组分气体的高灵敏度检测，激光吸收光谱气体传感技术迫切地需要一种发射波长长、输出功率高、调谐范围宽、光束质量好的理想激励源。

马欲飞教授课题组从传感器系统的核心单元-激励源出发，设计并搭建了2微米波段的可调谐单纵模固体激光器，单纵模激光的输出功率约为140毫瓦，并且具有9.44纳米的宽波长调谐范围，由此设计了光声光谱传感器系统并实现了对水分子及氨气双组分气体的高灵敏度检测。此外，课题组利用固体激光器谐振腔的开放性，以新型低频石英音叉作为探测元件设计了内腔石英增强光声光谱传感器系统，将音叉探测单元放置于激光器谐振腔内，在提高系统集成度的同时利用腔内的高功率密度，与常见的外腔系统相比，气体检测灵敏度最大提升5.5倍，依据传感器系统的浓度测量结果，证明了该系统具有优异的浓度线性响应。

马欲飞教授为论文唯一通讯作者，课题组博士研究生乔顺达为论文第一作者，课题组何应副教授、博士研究生孙海岳，意大利巴里理工大学皮埃特罗·帕蒂米斯科教授、安杰洛·桑帕奥洛教授以及文琛佐·斯帕尼奥洛教授参与相关研究工作。

该研究获国家自然科学基金重点项目及哈工大青年科学家工作室等项目资助。

论文链接： https://doi.org/10.1038/s41377-024-01459-5

2微米固体激光器结构示意图

单纵模激光输出特性：(a) 单纵模激光输出光谱及光束质量(b) 单纵模激光功率稳定性(c) 单纵模激光波长调谐(d) 单纵模激光光束质量因子测量结果

(a) 内腔石英增强光声光谱传感器系统结构示意图(b) 音叉探测单元实物图

内腔石英增强光声光谱传感器NH3浓度测量结果：(a) 不同气体浓度下的探测信号(b) 系统的浓度线性响应