哈工大團隊在ppq量級激光光譜氣體傳感技術領域取得突破性進展

    在半導體工業精密制造、能源產業安全運行及星際探索等前沿科技領域，超高靈敏度氣體檢測技術具有不可或缺的戰略價值。芯片生產中電子氣體的痕量雜質可顯著影響器件良率與可靠性，氫能系統內微量一氧化碳副產物可能導致燃料電池中毒失效，火星大氣中低至ppq量級的甲烷濃度監測更對檢測技術提出極限挑戰。針對上述需求，哈爾濱工業大學馬欲飛課題組在光致熱彈光譜（LITES）技術領域取得重大突破，相關成果以《Parts-per-quadrillionlevelgasmoleculedetection:CO-LITESsensing》為題發表于國際權威期刊《Light:Science&Applications》，為超高靈敏度氣體檢測技術發展提供了全新解決方案。

    一、雙螺旋多通池與改性石英音叉的關鍵技術創新

    傳統LITES技術雖具備非侵入式測量、快速響應及全波段檢測等優勢，但其性能提升面臨雙重技術瓶頸：一是傳統多通池光程擴展與系統體積間的矛盾制約集成化應用；二是商用石英音叉的高共振頻率導致能量積累不足，而新型低頻音叉存在結構單一、熱傳導損耗大等問題。馬欲飛團隊通過跨學科技術創新，實現了兩大核心突破。

    （一）雙螺旋多通池的光學結構優化

    研究團隊采用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化，構建了基于像散效應的密集雙螺旋光斑模式。該新型多通池實現激光束259次反射，光程體積比達15.6cm?2（25.8m/165.8ml），在顯著增強氣體吸收效率的同時，將系統體積壓縮至緊湊尺寸，為LITES技術的靈敏度提升與小型化集成奠定了光學基礎。

    （二）聚合物改性低頻石英音叉的探測性能提升

    通過有限元分析設計的圓形頭石英音叉，憑借低共振頻率特性延長能量積累時間，并通過圓頭結構增強振動應力。進一步在音叉表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS），利用其低熱導率與高熱膨脹系數特性，有效抑制熱擴散并增強應力響應。實驗數據表明，改性后的石英音叉品質因數（Q值）提升至10825.8，共振頻率穩定性達0.88Hz，關鍵性能指標顯著優于商用器件。

    二、ppq量級檢測性能的實驗驗證

    研究團隊以一氧化碳（CO）氣體為檢測對象，采用中紅外分布反饋量子級聯激光器（覆蓋CO在4587.64nm強吸收線）構建測試系統。對比實驗表明，基于PDMS改性圓形頭低頻石英音叉的CO-LITES傳感器信噪比提升10.59倍，優化積分時間后最小探測極限達920.7ppq，突破了傳統激光光譜技術的檢測下限。

    線性響應測試顯示，不同濃度CO氣體的2f信號曲線與濃度呈高度線性相關（R2=0.99），驗證了檢測結果的準確性。Allan方差分析與噪聲連續檢測結果表明，該傳感器在長期穩定性與抗干擾能力方面表現優異，為痕量氣體的精準定量分析提供了可靠技術支撐。

    三、多元場景的應用探索與學術影響

    （一）環境監測與人體健康評估的初步應用

    在應用研究層面，該傳感器成功實現校園環境CO濃度的實時連續監測，為城市空氣質量精細化管理提供了新型技術手段。值得關注的是，研究團隊首次將CO作為人體代謝標志物，通過呼吸氣體檢測探索肺部健康評估新方法，為非侵入式疾病早期診斷提供了創新思路。

    （二）學術貢獻與行業影響力

    《Light:Science&Applications》作為國內光學領域高被引期刊，其學術影響力位居同類期刊前列。馬欲飛團隊的研究成果首次實現ppq量級氣體檢測，從光學吸收增強與聲學探測優化雙維度突破傳統技術瓶頸，為超高靈敏度氣體傳感技術發展奠定了重要理論與技術基礎。該研究提出的雙螺旋多通池設計方法與聚合物改性音叉技術，為后續寬波段、高魯棒性氣體傳感器研發提供了全新研究范式，有望在半導體工藝監控、深空探測等戰略領域引發技術變革。

    哈爾濱工業大學馬欲飛團隊的研究成果標志著我國在超痕量氣體檢測領域達到國際領先水平。通過光學結構創新與傳感器件改性的協同優化，該技術不僅突破了ppq量級檢測極限，更展現了從基礎研究到應用轉化的完整技術鏈條。隨著技術成熟度的進一步提升，ppq量級激光光譜氣體傳感技術有望在工業過程控制、能源安全監測及深空探測等領域實現規模化應用，為全球精密制造、清潔能源發展及宇宙探索提供關鍵技術支撐。