据中国激光杂志社网，于2024年04月03日报道，哈尔滨工业大学马欲飞教授团队对LITES气体传感系统的结构进行了优化创新，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三个维度对系统进行升级，实现了对气体的高灵敏度测量。该研究成果使得系统探测性能显著提升，能够有力地推动光致热弹光谱技术的进一步发展。
研究背景
痕量气体是指体积分数远小于1%的气体。虽然其含量不高，但对多个领域都有巨大影响。例如，随着工业化和城市化的快速发展，大气污染成为全球面临的严重问题之一。大气中的氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、温室气体臭氧(O3)等，体积分数通常在10-12~10-6量级之间，其浓度的增加将直接导致生态环境改变。此外，痕量气体检测在工业生产、医疗诊断以及火灾预警等领域都有着十分重要的应用价值，发展新型气体传感技术将为人类创造更安全、更健康、更可持续的生活环境。
光致热弹光谱(Laser-Induced Thermoelastic Spectroscopy, 简称LITES)是一种近年来新兴的光谱式气体传感技术，于2018年由哈尔滨工业大学马欲飞团队首次提出。LITES的基本原理是将一束受调制的激光传输至气体吸收池中与气体样品作用，当激光波长与气体分子吸收谱线匹配时，部分激光能量被气体吸收，透射激光的能量因此产生周期性变化。石英音叉作为系统的探测元件，在吸收透射激光能量后受热膨胀产生周期性的机械形变，这种形变由于石英晶体的压电效应而被转化为携带气体浓度信息的电信号。LITES具有选择性强、灵敏度高、响应迅速等诸多优点，并且能提供非接触式测量。此外，基于石英音叉热弹效应的光探测器具有极大的响应带宽，克服了传统光电探测器响应光谱范围窄的缺点，使LITES可用于全波段光谱检测。
近年来，基于LITES的气体传感技术发展十分迅速，随着研究的深入，LITES已被证明是一种稳定且灵敏度高的气体传感技术。优化创新系统结构、提高检测灵敏度，是推动LITES技术进一步发展的必由之路！
本文亮点
近日，哈尔滨工业大学马欲飞教授团队在其前期扎实的研究基础上，对LITES气体传感系统的结构进行了优化创新，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三个维度对系统进行升级，实现了对气体的高灵敏度测量。系统的结构示意图如图1所示。
该系统选择乙炔(C2H2)作为目标检测气体，选取了其位于1530.37 nm处的吸收线，并使用了一台掺铒光纤放大器(Erbium-doped fiber amplifier, 简称EDFA)对激光功率进行放大。依据测试结果，EDFA输出功率在300 ~1000 mW范围内变化时，LITES系统信噪比随功率的增加而增大。因此，实验中将EDFA的输出功率锁定为1000 mW。
在吸收光谱技术中，依据朗伯-比尔定律，气体吸收信号的大小正比于气体吸收路径的长度。为了在增加气体有效吸收程的同时不增加系统体积，该系统使用了一个新型的光斑密集型光学多通池(Multi-pass cell, 简称MPC)作为气体吸收池，该气体吸收池能够提供37.7 m的有效吸收程，并且其光程体积比高达13.8 cm-2。与常见的商用Herriott型多通池(HC10L-M02，Thorlabs)相比，光程体积比有约8倍的提升，入射激光在其中能够反射270余次，并在镜片上形成同心圆环的分布图案，光斑分布的仿真结果和实际拍摄效果如图2所示。
在LITES传感系统中，通常采用共振频率约为32.768 kHz的商用石英音叉作为探测元件。为了匹配音叉的共振频率，系统需要很高的调制频率。在非常短的调制周期内，石英音叉积累的激光能量有限，转换的压电信号十分微弱。为解决这一弊端，该系统采用了一种特殊的、具有梯形头部的新型石英音叉作为探测元件，它独特的结构使其具有更低的共振频率，仅为9.46 kHz，两种音叉的对比图如图3所示。使用低频石英音叉作为探测器能提供更长的能量积累时间，从而能有效提高LITES系统的检测性能。
图4为C2H2-LITES传感器的浓度测试结果，可见系统具有优异的浓度线性响应特性。使用梯形头石英音叉作为探测器时系统的探测灵敏度仅为24.6 ppb，检测性能是使用商用石英音叉时的~2倍。同时，根据Allan方差分析，当系统积分时间为140 s时，探测灵敏度可进一步改善至1.29 ppb。
该工作从激发、吸收、探测三个维度对基于LITES的气体传感系统进行优化，使得系统探测性能显著提升，能够有力地推动光致热弹光谱技术的进一步发展。研究成果以“A highly sensitive LITES sensor based on a multi-pass cell with dense spot pattern and a novel quartz tuning fork with low frequency”为题发表在Opto-Electronic Advances (光电进展) 2024年第3期。
研究团队简介
马欲飞，哈尔滨工业大学航天学院教授、博士生导师，从事激光传感和激光技术研究，作为负责人主持国家自然科学基金重点、国家自然科学基金优青、国家载人航天预研、华为公司委托项目等30余项。黑龙江省首批优秀青年基金获得者，哈尔滨工业大学青年拔尖人才，哈尔滨工业大学青年科学家工作室学术带头人，2021年度、2022年度、2023年度爱思唯尔中国高被引学者，美国光学学会高级会员，入选“全球前2%顶尖科学家榜单”，“全球顶尖科学家前10万榜单”。担任Photoacoustics、Optics Express、Optical Engineering、Microwave and Optical Technology Letters、Chinese Optics Letters等8个期刊领域主编/副主编/编委。以第一作者/通信作者发表1区论文80余篇，其中ESI热点论文20篇、ESI高被引论文25篇，获军队科技进步二等奖、教育部学术新人奖等多项奖励。
