哈工年夜马欲飞教授团队设计了一种新型四叉指石英音叉，显著晋升了体系的探测性能，为石英增强光谱气体传感技术的进一步生长提供了参考价值。
痕量气体指的是体积分数远小在1%的气体，年夜气中的氮氧化物、碳氢化合物及硫化物等气体虽然含量低，但对于情况的影响十分庞大，与酸雨、温室效应及臭氧层破坏等征象慎密相干。是以，检测痕量气体对于情况掩护极其要害。此外，于工业、医疗及火灾预警等领域，痕量气体检测一样具备主要的研究与运用价值。
2002年，Tittle 等人提出石英增强光声光谱（Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy， 简称QEPAS），与传统的光声光谱相比，QEPAS用石英音叉取代麦克风探测声波，有用消弭了声学共振前提对于气室结构及尺寸的限定，可以或许检测微量气体样本，而且对于情况噪声有极强的免疫性。然而，QEPAS是一种接触式气体检测要领，当音叉与腐蚀性或者氧化性气体接触时，其外貌的电极会被破坏，严峻影响检测性能。针对于此不足，2018年哈尔滨工业年夜学马欲飞教授课题组提出一种非接触式气体检测要领—光致热弹光谱（Light-induced thermoelastic spectroscopy，简称LITES）。于LITES技术中，激光穿过待测气体后照射到石英音叉外貌，石英晶体接收激光能量并将其转化为热能，从而促使石英音叉孕育发生机械振动，因为压电效应，机械振动可以进一步转化为电旌旗灯号，用作旌旗灯号反演。该技术依附其高敏捷度、快速相应以和非接触式全波段光谱检测的能力，迅速成为研究焦点。QEPAS及LITES是两种互补的技术，各适用在差异的运用场景。怎样进一步提高QEPAS及LITES传感体系的敏捷度是今朝研究的重点，而对于石英音叉这一焦点探测元件举行优化设计将会有用提高传感器的探测性能。
今朝于QEPAS及LITES传感体系中广泛利用尺度石英音叉作为探测元件，这限定了传感器的性能。起首，尺度石英音叉的频率为32.768 kHz, 因为激光调制频率取决在石英音叉的共振频率，这致使低弛豫速度气体份子的能量转移速度没法满意入射激光的快速调制历程，影响了旌旗灯号的有用孕育发生；其次，尺度音叉较高的共振频率致使传感体系的能量堆集时间较短，影响了体系的旌旗灯号幅值；第三，尺度音叉总体尺寸较小且电极笼罩率高，银质电极具备高反射率及高导热系数，激光轻易被银质电极反射造成音叉对于激光的接收率及音叉的热膨胀形变降低，从而孕育发生较小的旌旗灯号幅值；末了，尺度音叉狭小的叉指间隙也会致使显著的光学噪声。
针对于上述问题，哈尔滨工业年夜学马欲飞课题组设计出了一种新型四叉指石英音叉，经由历程增长叉指数量扩展了应力集中区域，从而有用提高了声波检测效率，并于不异的激励前提下孕育发生更年夜的压电旌旗灯号。同时，它另有兼具低共振频率、年夜叉指间距及T形叉指等课题组前期所设计的新型音叉的优点。该研究于QEPAS及LITES传感体系中将四叉指音叉的性能与尺度音叉的性能举行了对于比验证。
起首基在欧拉-伯努利理论及有限元要领，对于四叉指音叉及尺度音叉于QEPAS及LITES体系中的性能举行了理论对于比。与尺度音叉相比，四叉指音叉的应力及外貌温度差划分提高了11.1倍及11.4倍，如图1和图2所示。
图1 QEPAS应力漫衍。(a) 尺度音叉；(b) 四叉指音叉
图2 LITES温度漫衍。(a) 尺度音叉；(b) 四叉指音叉
为检验四叉指音叉的探测性能搭建了QEPAS及LITES体系举行了试验验证，装配图和音叉什物照片如图3所示。该体系选择乙炔(C2H2)作为目标检测气体，拔取其位在1530.37 nm处的接收线。经由历程光激励要领测患上尺度音叉、四叉指音叉及配置声学共振管的四叉指音叉的共振频率划分为32767.85 Hz、7918.98 Hz及7918.53 Hz，Q值划分为907七、7763及6940，三者的频率相应曲线如图4所示。
图3 传感器结构收意：(a)基在四叉指音叉的QEPAS体系；(b)基在四叉指音叉的LITES体系；(c)四叉指音叉（左）及尺度音叉（右）的照片
图4尺度音叉（橙）、四叉指音叉（绿）及配置共振管的四叉指音叉（蓝）的频率相应特征
图5为C2H2-LITES传感器的浓度测试结果，可见体系具备优秀的浓度线性相应特征。利用四叉指音叉作为探测器时体系的最小探测限低至420 ppb，信噪比是利用尺度音叉时的4.52倍。同时，凭据Allan方差分析，当体系积分时间为100 s时，最小探测限可进一步改善至96 ppb。
图5 C2H2-LITES传感器的浓度测试结果：(a)基在四叉指音叉的体系于差异浓度C2H2下的2f旌旗灯号；(b)浓度线性相应特征
该事情经由历程对于气体传感体系中的焦点探测元件—石英音叉举行优化设计，使体系的探测性能获得显著晋升，为石英增强光谱气体传感技术的进一步生长提供了参考价值。研究结果以“Highly sensitive laser spectroscopy sensing based on a novel four-prong quartz tuning fork”为题作为封面文章发表于Opto-Electronic Advances2025年第4期。
研究团队简介
马欲飞，哈尔滨工业年夜学航天学院教授、博士生导师，美国光学学会会士 (Optica Fellow)，从事激光传感及激光技术研究，作为卖力人主持国家天然科学基金重点、国家天然科学基金优青、国家载人航天预研、华为公司委托项目等30余项。黑龙江省首批优异青年基金获得者，哈尔滨工业年夜学青年拔尖人材，哈尔滨工业年夜学青年科学家事情室学术带头人，2021年度、2022年度、2023年度、2024年度爱思唯尔中国高被引学者，入选“全世界前2%顶尖科学家榜单”，“全世界顶尖科学家前10万榜单”。继续光声领域旗舰期刊Photoacoustics领域主编、Optics Express副主编、Microwave and Optical Technology Letters领域主编、Opto-Electronic Advances编委、Chinese Optics Letters编委、Optical Engineering编委等，同时继续国家天然科学基金委主理Fundamental Research等多个期刊青年编委。以第一作者/通讯作者于Light: Science Applications、Opto-Electronic Advances、Applied Physics Reviews、Opto-Electronic Science、Light: Advanced Manufacturing、Ultrafast Science、Laser Photonics Review、Photonics Resear快盈VIII官网-ch等期刊上发表学术论文百余篇，此中ESI热门论文、ESI高被引论文70余篇，期刊特邀/封面/最好援用/编纂精选论文40余篇，研究结果入选“2024中国光学十年夜社会影响力事务(Light10)”，获中国光学工程学会天然科学二等奖、队伍科技前进二等奖、教诲部学术新人奖、Chinese Optics Letters期刊2022年度、2023年度主编保举奖、光学学报2023年度主编保举奖、Light: Advanced Manufacturing期刊2023年度卓异论文奖、Sensors期刊2024年度卓异论文奖等多项奖励。
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