近日，哈爾濱工業大學航天學院馬欲飛教授課題組實現基于完美吸收體鍍層音叉的光致熱彈光譜高靈敏度氣體檢測。相關研究成果以《基于鍍有三層超薄完美吸收體的T型石英音叉的超高靈敏度光熱彈光譜傳感器 》(Ultrahigh sensitive LITES sensor based on a trilayer ultrathin perfect absorber coated T-head quartz tuning fork)為題發表于《激光與光子學評論》(Laser & Photonics Reviews)。
 

　　鍍膜結構的制備與表征：(a)三層膜結構示意圖；(b)鍍膜反射率、吸收率和透過率的理論值；(c)鍍膜反射率、吸收率和透過率的實測值；(d)鍍膜流程示意圖；(e)SEM截面圖

 

　　光致熱彈光譜技術(light-induced thermoelastic spectroscopy, 簡稱LITES)具有氣體選擇性好、檢測靈敏度高、響應速度快等優點，在環境監測、火災預警、醫學診斷等領域中具有重要的應用價值。石英音叉作為傳感器系統中的核心探測單元，對系統的檢測性能起到關鍵作用。然而，石英對1至5微米(μm)波長范圍內的激光透過率高而吸收率低，無法有效利用入射激光能量，導致光熱彈電轉換效率較低，阻礙了LITES傳感器檢測能力的進一步提升。
 

　　針對上述問題，課題組成員基于導納匹配原理的簡化理論框架，在T型石英音叉表面無電極覆蓋位置設計了三層超薄完美吸收體。該吸收體具有較好的穩定性和可重復性，將石英音叉對1530納米近紅外光的吸收率從不足10%提升到93%，大大增加了光熱彈電轉換效率和檢測靈敏度。相比標準石英音叉，鍍膜T型石英音叉信噪比提升了6.90倍。同時研究人員將40米光纖耦合多通池和摻鉺光纖放大器集成到LITES傳感系統中，增加了目標氣體對激光的吸收和激光功率，實現了超高靈敏度乙炔檢測。
 

　　鍍膜石英音叉：(a)標準石英音叉(左)和T型石英音叉(右)；(b)鍍膜T型石英音叉；(c)鍍膜結構的顯微鏡圖像

 

　　鍍膜T型音叉性能提升效果：(a)標準音叉、T型音叉和鍍膜T型音叉的2f信號對比；(b)-(d)三者的噪聲；(e)5個月后標準音叉和鍍膜T型音叉的2f信號對比；(f)(g)5個月后標準音叉和鍍膜T型音叉的噪聲

 

　　基于鍍膜T型音叉的C2H2-LITES傳感性能測試: (a)不同C2H2濃度下2f信號峰值；(b)濃度線性響應

 

　　哈工大為論文第一完成單位。馬欲飛教授、中國科學院上海技術物理研究所王少偉教授為論文共同通訊作者，航天學院博士研究生王潤秋為論文第一作者。中國科學院上海技術物理研究所博士研究生關學昱、賈奇祥，航天學院何應副教授、喬順達副研究員參與相關研究工作或提供論文指導。
 

　　該研究獲國家自然科學基金重點項目及哈工大青年科學家工作室等項目資助。