哈尔滨工业大学马欲飞课题组：超高灵敏度石英 光致热弹光谱气体传感

痕量气体传感技术广泛应用于环境与工业生产过程监测、生物医学和燃烧学等领域。近期，哈尔滨工业大学马欲飞教授课题组提出了一种基于石英音叉的新型光致热弹光谱技术，实现了痕量气体传感的高灵敏度非接触式测量。

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石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展的一种新型气体传感技术，使用石英音叉作为声波传导元件。石英音叉有着品质因数高、体积小、价格低等诸多优点。石英音叉特有的偶极结构使得它对环境中的低频噪声有着良好的抑制能力。

但是，QEPAS是一种接触式测量技术，石英音叉需放置在待测气体中，这使得石英音叉易受一些酸性、腐蚀性气体的侵蚀，影响石英音叉寿命，进而限制了QEPAS技术的应用。

哈尔滨工业大学马欲飞教授课题组一直致力于基于石英音叉的超高灵敏度痕量气体传感研究。近日，他们针对QEPAS技术中的不足，提出了一种基于石英音叉的新型光致热弹光谱技术(系统示意图如图1所示)，实现了痕量气体传感的非接触式测量，为复杂、恶劣环境中的应用需求提供了一种有效的手段。

图1 石英光致热弹光谱传感系统示意图

该技术充分利用石英晶体材料固有的光吸收特性，采用石英音叉直接接收激光束，在石英音叉中进行光吸收-热膨胀-弹性形变的转换，由于石英音叉存在压电效应，弹性形变产生电流信号，同时石英音叉的谐振效应放大该电流信号。

实验中选用CO气体进行了验证，得到了17 ppb (part per billion)的优异探测极限（如图2(a)所示）。在相同条件下，将此新型石英光致热弹光谱系统与可调谐二极管吸收光谱(TDLAS)和QEPAS系统的探测性能进行了对比，结果表明前者有着更优秀的探测极限与噪声等效吸收系数，探测极限分别改进了5倍和24倍。在不同气体浓度的测试下，该传感器具有良好的浓度线性响应度(R-square=0.99，如图2(b)所示)。

图2 (a) 石英光致热弹光谱系统二次谐波信号以及噪声测量结果; (b)传感器线性响应度

该研究成果以Ultra-high sensitive light-induced thermoelastic spectroscopy sensor with a high Q-factor quartz tuning fork and a multipass cell为题发表在Optics Letters [44 , 1904-1907 (2019)] 上。论文第一作者为哈尔滨工业大学航天学院博士生何应，通讯作者为哈尔滨工业大学航天学院马欲飞教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、黑龙江省优秀青年基金及哈尔滨工业大学青年拔尖人才选聘计划的资助。

论文链接：

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-44-8-1904

马欲飞简介：

http://homepage.hit.edu.cn/mayufei

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