近日，我院马欲飞教授课题组实现基于新型四叉指石英音叉的高灵敏度激光光谱气体检测。相关研究成果以《基于新型四叉指石英音叉的高灵敏度激光光谱传感器》（Highly sensitive laser spectroscopy sensing based on a novel four-prong quartz tuning fork）为题发表于中国科学院主管的英文学术期刊《光电进展》（Opto-Electronic Advances，简称OEA）。
痕量气体指的是体积分数远小于1%的气体，大气中的氮氧化物、碳氢化合物和硫化物等气体虽然含量低，但与酸雨、温室效应和臭氧层破坏等环境问题紧密相关。因此，检测痕量气体对环境?；び凶胖匾庖澹⒃诠ひ?、医疗和火灾预警等领域有着广阔应用前景。
2002年，国际上提出石英增强光声光谱（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy，简称QEPAS）。与传统光声光谱相比，该技术有效消除了声学共振条件对气室结构和尺寸的限制，能够检测小体积内的痕量气体样本，同时当石英音叉与腐蚀性或氧化性气体接触时，其表面的电极会被破坏，严重影响检测性能。2018年，马欲飞课题组提出一种非接触式气体检测方法——光致热弹光谱（light-induced thermoelastic spectroscopy，简称LITES）。该技术凭借其高灵敏度、快速响应以及非接触式全波段光谱检测的能力，迅速成为研究焦点，并与石英增强光声光谱技术相互补充，适用于不同的应用场景。如何进一步提高两种技术传感系统的灵敏度是当前研究的重点，因此对石英音叉这一核心探测元件进行优化设计成为关键技术难题。
石英增强光声光谱应力分布仿真：(a)标准音叉；(b)四叉指音叉
光致热弹光谱温度分布仿真：(a)标准音叉；(b)四叉指音叉
针对这一难题，马欲飞教授课题组设计了一种新型四叉指石英音叉，通过增加叉指数目扩大应力集中区域，从而有效提高了声波检测效率，并在相同的激励条件下产生更大的压电信号，同时兼具低共振频率、大叉指间距和T形叉指等新型石英音叉优点。研究人员分别在两种技术传感系统中，利用乙炔（C2H2）作为检测气体对四叉指音叉性能进行了对比验证。实验结果表明，与基于标准石英音叉的传感系统相比，基于四叉指音叉的石英增强光声光谱传感系统和光致热弹光谱传感系统，信噪比分别提高了4.67倍和4.52倍，当四叉指音叉配备声学微谐振管时，信噪比可提高至未配置时的147.72倍，系统的最小检测限分别达到21 ppb和96 ppb，进而证明了四叉指音叉应用于激光光谱传感领域的优越性。
传感器结构示意图：(a)基于四叉指音叉的石英增强光声光谱传感系统；(b)基于四叉指音叉的光致热弹光谱传感系统；(c)四叉指音叉（左）和标准音叉（右）照片
(a)基于标准音叉、四叉指音叉以及配备声学微谐振管的四叉指音叉的石英增强光声光谱传感系统的2f信号；基于(b)标准音叉、(c)四叉指音叉和(d)配备声学微谐振管的四叉指音叉的石英增强光声光谱传感系统噪声水平
光致热弹光谱传感器的浓度测试结果：(a)基于四叉指音叉的系统在不同浓度乙炔下的2f信号；(b)浓度线性响应
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，课题组博士研究生王润秋为论文第一作者?？翁庾楹斡Ω苯淌?、乔顺达副研究员参与相关工作。
该研究获国家自然科学基金重点项目及哈工大青年科学家工作室等项目资助。
论文链接：
https://oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2025.240275
