哈工大全媒體（商艷凱 孫海岳/文 課題組/圖）近日，我校航天學院馬欲飛教授課題組實現(xiàn)基于光致熱彈光譜傳感技術的ppq量級（10^-15，千萬億分之一）氣體分子探測。相關研究成果以《ppq量級氣體分子探測：一氧化碳光致熱彈光譜傳感技術》（Parts-per-quadrillion level gas molecule detection: CO-LITES sensing）為題發(fā)表在《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）。

在半導體、能源、深空探測等前沿科技領域，超高靈敏度氣體傳感技術有著不可替代的應用價值。2018 年，馬欲飛課題組提出了光致熱彈光譜（Laser-induced thermoelastic spectroscopy，簡稱 LITES）技術，即激光穿透待測氣體后，聚焦至石英音叉表面，利用石英音叉的光致熱彈效應進行氣體濃度的反演。該技術具有非侵入式、快速響應、全波段光譜檢測等優(yōu)勢，迅速成為研究熱點，然而想進一步提升其性能，在氣體吸收強度、石英音叉探測器方面亟待創(chuàng)新突破。

針對以上問題，課題組通過人工魚群算法與光線追跡算法對三片鏡多通池光學模型進行迭代優(yōu)化，形成密集雙螺旋光斑模式，從而有利于LITES傳感技術靈敏度提升與小型化集成。同時采用有限元分析方法設計出具有低共振頻率及高品質(zhì)因數(shù)的圓形頭石英音叉，在結構優(yōu)化的石英音叉表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS），利用該聚合物的低熱導率和高熱膨脹系數(shù)有效減少熱擴散并進一步增強振動應力，最終實現(xiàn)傳感器檢測靈敏度大幅度提升。

三片鏡光斑圖案：(a)仿真光斑分布；(b)實測光斑分布

聚合物改性的圓形頭低頻石英音叉：(a)石英音叉優(yōu)化示意圖；(b)石英音叉頻率響應；(c)石英音叉熱像圖

課題組選用一氧化碳氣體驗證傳感器性能，選用中紅外分布反饋量子級聯(lián)激光器覆蓋一氧化碳在4587.64納米處的強吸收線，對不同音叉的傳感性能進行對比。相比商用石英音叉，基于聚合物改性圓形頭低頻石英音叉的LITES傳感器信噪比提升了10.59 倍，對超低濃度一氧化碳氣體表現(xiàn)出良好的線性響應，在進一步優(yōu)化后，最小探測極限達到創(chuàng)紀錄的920.7ppq。

LITES傳感器結構示意圖

基于優(yōu)化多通池和石英音叉的CO-LITES傳感性能測試：(a)不同一氧化碳濃度下2f信號曲線；(b)濃度線性響應；(c)Allan方差分析；(d)噪聲連續(xù)檢測

室外環(huán)境下和人體呼吸中一氧化碳氣體檢測

哈工大為論文唯一通訊單位，馬欲飛教授為論文唯一通訊作者，課題組博士研究生孫海岳為論文第一作者。課題組何應副教授、喬順達副研究員、碩士研究生孫曉镕參與相關工作。

該研究獲國家自然科學基金、哈工大青年科學家工作室等項目資助。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41377-025-01864-4