Opto-Electronic Science
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哈工大马欲飞课题组提出了基于李萨如图案的三片镜空间复用技术，并借此实现了高灵敏度LITES双气体同时传感系统，对后续LITES传感技术的发展提供了有效的参考价值。
第一作者：孙海岳
通信作者：马欲飞
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研究背景
痕量气体是体积分数不足1%的大气微量成分，大气中的氮氧化物、碳氢化合物和硫化物尽管含量低，但对环境的影响却十分重大，与酸雨、温室效应和臭氧层破坏等现象紧密相关。因此，定量检测痕量气体对环境保护极为关键。此外，在工业、医疗和火灾预警等领域，痕量气体检测同样具有重要的研究与应用价值。
2018年，哈尔滨工业大学马欲飞课题组首次提出光致热弹光谱(Laser-induced thermoelastic spectroscopy, 简称LITES)，激光穿过待测气体后照射至石英音叉表面，石英晶体吸收激光能量并将其转化为热能，从而促使石英音叉产生机械振动，由于石英音叉的压电效应，机械振动可以进一步转化为电信号，用作信号反演。该技术凭借其高灵敏度、快速响应以及非侵入式全波段光谱检测的能力，迅速成为研究焦点。如何能进一步提高LITES传感系统的灵敏度、响应速度和集成化性将会是后续研究的重点内容。通过延长激光在气体中的传播路径，可有效提高LITES传感器的探测灵敏度，因此开展新型光学多通池(Multi-pass cell, 简称MPC)的研究是实现更高性能的LITES传感器的重中之重。
本文亮点
目前基于激光吸收光谱实现双气体同时探测的技术主要围绕着时分复用技术和频分复用技术。时分复用技术中不同气体需要分时进行探测，这降低了系统的响应速度，不适用于环境剧烈变化的场景。至于频分复用技术，则不太适用于含有特定共振频率探测元件的系统中。
针对这一痛点，马欲飞课题组提出了基于李萨如图案的三片镜空间复用技术，并借此实现了高灵敏度LITES双气体同时传感系统。
他们首先构建了基于镜像李萨如图案的三片镜光学多通池，实际光斑分布如图1所示，两束不同的调制激光由反射镜1入射，分别由反射镜2和反射反射镜3出射。相比常规Herriott光学多通池的环形光斑而言，这种光斑分布可以充分利用镜面空间，减小系统体积，总光程体积比可以达到26.8 cm-2。
图1 (a) 三片镜子上的拍摄光斑分布；(b) 三片镜光学多通池结构
为了进一步提升传感系统性能，研究团队采用两个新型自主设计的T型头音叉作为光热探测元件，其具备高Q值(~ 12000)和低共振频率(<10 kHz)特性，可以有效地提高能量积累时间，进一步提升系统探测能力。选用甲烷(CH4)和乙炔(C2H2)的混合气体作为目标检测气体，对应的吸收线分别选为1650.96 nm和1530.37 nm，并且使用拉曼光纤放大器件(Raman fiber amplifier, 简称RFA)和掺铒光纤放大器(Erbium-doped fiber amplifier, 简称EDFA)分别对两路调制激光进行功率放大，提升检测信号幅值。
图2 LITES双气体同时传感系统
随着光纤放大器输出功率增加，系统信噪比得到明显提升。当RFA和EDFA输出功率分别达到最大值300 mW和1000 mW时，CH4和C2H2传感系统信噪比可以分别达到744.1和2187.3，对应最小探测极限为268.8 ppb和91.4 ppb。根据Allan方差分析，当积分时间分别采用150 s和100 s时, CH4和C2H2的最小探测极限分别优化到26.1 ppb和54.8 ppb。除此之外，传感系统表现出了优良的浓度线性响应，如图3所示，在连续检测过程中，改变混合气体中浓度配比，不同气体探测信号值均随浓度呈线性变化，R方值均达到0.99。
图3 (a) 双气体连续检测浓度响应；(b) 气体浓度响应线性拟合
该项研究设计了基于镜像李萨如图案的三片镜光学多通池，结合新型T型头低频音叉，最终实现了高灵敏度LITES双气体同时传感系统，这对后续LITES传感技术的发展提供了有效的参考价值。
该工作得到了国家自然科学基金项目(项目号62335006, 62022032, 62275065和61875047)的支持，以“Highly sensitive and real-simultaneous CH4/C2H2 dual-gas LITES sensor based on Lissajous pattern multi-pass cell”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Science （OES, 光电科学）2024年第11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。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，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。以第一作者/通信作者在Light: Science & Applications、Opto-Electronic Advances、Opto-Electronic Science、Light: Advanced Manufacturing、Ultrafast Science等期刊上发表学术论文百余篇，其中ESI热点论文、ESI高被引论文50余篇，获军队科技进步二等奖、教育部学术新人奖等多项奖励。
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Opto-Electronic Science（OES，光电科学）是卓越行动计划高起点新刊，是国际知名光学期刊Opto-Electronic Advances（JCR Q1）的姊妹刊，由中国科学院主管，中国科学院光电技术研究所主办并出版，面向全球发行。OES目前已被Scopus、DOAJ、CA、EuroPub、万方等国内外数据库收录。OES专注于光学、光电子及相关交叉学科领域的基础科学研究，致力于发掘、报道光学物理机制的新发现。
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编辑 | 曾晚婷 张诗杰
审核 | 杨淇名
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