哈工大全媒体（商艳凯 孙海岳/文 课题组/图）近日，我校航天学院马欲飞教授课题组实现基于光致热弹光谱传感技术的ppq量级（10-15，千万亿分之一）气体分子探测。相关研究成果以《ppq量级气体分子探测：一氧化碳光致热弹光谱传感技术》（Parts-per-quadrillion level gas molecule detection: CO-LITES sensing）为题发表在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。
在半导体、能源、深空探测等前沿科技领域，超高灵敏度气体传感技术有着不可替代的应用价值。2018 年，马欲飞课题组提出了光致热弹光谱（Laser-induced thermoelastic spectroscopy，简称 LITES）技术，即激光穿透待测气体后，聚焦至石英音叉表面，利用石英音叉的光致热弹效应进行气体浓度的反演。该技术具有非侵入式、快速响应、全波段光谱检测等优势，迅速成为研究热点，然而想进一步提升其性能，在气体吸收强度、石英音叉探测器方面亟待创新突破。
针对以上问题，课题组通过人工鱼群算法与光线追迹算法对三片镜多通池光学模型进行迭代优化，形成密集双螺旋光斑模式，从而有利于LITES传感技术灵敏度提升与小型化集成。同时采用有限元分析方法设计出具有低共振频率及高品质因数的圆形头石英音叉，在结构优化的石英音叉表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS），利用该聚合物的低热导率和高热膨胀系数有效减少热扩散并进一步增强振动应力，最终实现传感器检测灵敏度大幅度提升。
三片镜光斑图案：(a)仿真光斑分布；(b)实测光斑分布
聚合物改性的圆形头低频石英音叉：(a)石英音叉优化示意图；(b)石英音叉频率响应；(c)石英音叉热像图
课题组选用一氧化碳气体验证传感器性能，选用中红外分布反馈量子级联激光器覆盖一氧化碳在4587.64纳米处的强吸收线，对不同音叉的传感性能进行对比。相比商用石英音叉，基于聚合物改性圆形头低频石英音叉的LITES传感器信噪比提升了10.59 倍，对超低浓度一氧化碳气体表现出良好的线性响应，在进一步优化后，最小探测极限达到创纪录的920.7ppq。
LITES传感器结构示意图
基于优化多通池和石英音叉的CO-LITES传感性能测试：(a)不同一氧化碳浓度下2f信号曲线；(b)浓度线性响应；(c)Allan方差分析；(d)噪声连续检测
室外环境下和人体呼吸中一氧化碳气体检测
哈工大为论文唯一通讯单位，马欲飞教授为论文唯一通讯作者，课题组博士研究生孙海岳为论文第一作者。课题组何应副教授、乔顺达副研究员、硕士研究生孙晓镕参与相关工作。
该研究获国家自然科学基金、哈工大青年科学家工作室等项目资助。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41377-025-01864-4
