近日，航天學院馬欲飛教授課題組實現基于新型四叉指石英音叉的高靈敏度激光光譜氣體檢測。相關研究成果以《基于新型四叉指石英音叉的高靈敏度激光光譜傳感器》(Highly sensitive laser spectroscopy sensing based on a novel four-prong quartz tuning fork)為題發表于中國科學院主管的英文學術期刊《光電進展》(Opto-Electronic Advances，簡稱OEA)。
 

　　痕量氣體指的是體積分數遠小于1%的氣體，大氣中的氮氧化物、碳氫化合物和硫化物等氣體雖然含量低，但與酸雨、溫室效應和臭氧層破壞等環境問題緊密相關。因此，檢測痕量氣體對環境保護有著重要意義，并在工業、醫療和火災預警等領域有著廣闊應用前景。
 

　　2002年，國際上提出石英增強光聲光譜(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy，簡稱QEPAS)。與傳統光聲光譜相比，該技術有效消除了聲學共振條件對氣室結構和尺寸的限制，能夠檢測小體積內的痕量氣體樣本，同時當石英音叉與腐蝕性或氧化性氣體接觸時，其表面的電極會被破壞，嚴重影響檢測性能。2018年，馬欲飛課題組提出一種非接觸式氣體檢測方法——光致熱彈光譜(light-induced thermoelastic spectroscopy，簡稱LITES)。該技術憑借其高靈敏度、快速響應以及非接觸式全波段光譜檢測的能力，迅速成為研究焦點，并與石英增強光聲光譜技術相互補充，適用于不同的應用場景。如何進一步提高兩種技術傳感系統的靈敏度是當前研究的重點，因此對石英音叉這一核心探測元件進行優化設計成為關鍵技術難題。
 

石英增強光聲光譜應力分布仿真：(a)標準音叉；(b)四叉指音叉
 

光致熱彈光譜溫度分布仿真：(a)標準音叉；(b)四叉指音叉
 

　　針對這一難題，馬欲飛課題組設計了一種新型四叉指石英音叉，通過增加叉指數目擴大應力集中區域，從而有效提高了聲波檢測效率，并在相同的激勵條件下產生更大的壓電信號，同時兼具低共振頻率、大叉指間距和T形叉指等新型石英音叉優點。研究人員分別在兩種技術傳感系統中，利用乙炔(C2H2)作為檢測氣體對四叉指音叉性能進行了對比驗證。實驗結果表明，與基于標準石英音叉的傳感系統相比，基于四叉指音叉的石英增強光聲光譜傳感系統和光致熱彈光譜傳感系統，信噪比分別提高了4.67倍和4.52倍，當四叉指音叉配備聲學微諧振管時，信噪比可提高至未配置時的147.72倍，系統的最小檢測限分別達到21 ppb和96 ppb，進而證明了四叉指音叉應用于激光光譜傳感領域的優越性。
 

　　傳感器結構示意圖：(a)基于四叉指音叉的石英增強光聲光譜傳感系統；(b)基于四叉指音叉的光致熱彈光譜傳感系統；(c)四叉指音叉(左)和標準音叉(右)照片

 

　　(a)基于標準音叉、四叉指音叉以及配備聲學微諧振管的四叉指音叉的石英增強光聲光譜傳感系統的2f信號；基于(b)標準音叉、(c)四叉指音叉和(d)配備聲學微諧振管的四叉指音叉的石英增強光聲光譜傳感系統噪聲水平

 

　　光致熱彈光譜傳感器的濃度測試結果：(a)基于四叉指音叉的系統在不同濃度乙炔下的2f信號；(b)濃度線性響應

 

　　哈工大為論文唯一通訊單位，馬欲飛教授為論文唯一通訊作者，課題組博士研究生王潤秋為論文第一作者。課題組何應副教授、喬順達副研究員參與相關工作。
 

　　該研究獲國家自然科學基金重點項目及哈工大青年科學家工作室等項目資助。