哈工大团队创新光热弹性光谱技术，实现甲烷痕量检测新突破

气体检测对于生态监测、工业安全和人类健康至关重要。激光光谱技术因其高选择性、高灵敏度和长寿命等优势而迅速发展。LITES作为一种新兴的气体检测技术，利用石英晶体的光诱导热弹性效应，通过检测激光通过目标气体后的强度变化来获取气体浓度信息。与传统的可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）相比，LITES在相同条件下具有更高的检测灵敏度。

近期，哈尔滨工业大学的研究团队在这一领域取得了重要进展，他们设计了一种具有密集斑点图案的多程池（MPC），并将其应用于基于LITES的甲烷传感器中，显著提升了检测性能。

研究内容

图 1 模拟和测量的斑点图案

研究团队基于矢量反射定律建立光线追迹模型，设计出四种不同光斑图案的多通池。如图1（a-d）所示，模拟的光斑图案包括独立环、四同心圆、花朵和六芒星结构，其中四同心圆图案表现最优：光学路径长度（OPL）达38米，物理长度仅14厘米，光程体积比（RLV）高达13.8 cm⁻²。

实验验证显示，实际光斑分布（图1e-h）与模拟结果高度吻合，尽管多次反射导致部分光斑模糊，但形状一致性验证了模型的准确性。

图 2 放大前后的发射光谱

传统DFB激光功率仅30 mW，难以满足高灵敏度检测需求。研究团队采用前向泵浦RFA，将激光功率放大至350 mW，且光谱边模抑制比>25 dB，确保强光激发下的信号稳定性。如图2，放大后激光在6057.08 cm⁻¹处强度显著提升，光谱纯度保持优异。

图 3 梯形尖端QTF的共振频率曲线

团队采用低频梯形尖端 QTF（共振频率9454.95 Hz），其放大的尖端结构延长了能量积累时间，压电信号强度优于传统32.768 kHz QTF。如图3所示，该探测器的品质因数（Q值）达11673，响应带宽仅0.81 Hz，为高灵敏度检测提供保障。

图 4 CH₄-LITES传感器对光功率的响应

传感器对激光功率（100-350 mW）和甲烷浓度（25-400 ppm）均呈现线性关系（R²=0.99）。如图4所示，350 mW功率下，二次谐波信号（2f）峰值达137.96 μV，噪声标准差为111.07 nV，对应检测限322 ppb。

图 5 CH₄-LITES传感器的Allan偏差

通过Allan偏差分析（图5），当平均时间延长至100秒时，检测限进一步降低至59.5 ppb，优于近红外及中红外波段同类传感器。

该研究通过高密度光斑多通池与高Q值探测器的创新组合，突破了传统气体传感器的体积与灵敏度限制。其核心技术可推广至其他气体检测场景，如工业废气监测、煤矿瓦斯预警等。未来，团队计划进一步优化系统集成度，推动LITES技术在便携设备与在线监测中的实际应用。

原文链接：https://doi.org/10.37188/lam.2025.001