OEA封面 | LITES 技术 “提速”：基于阶跃外差和高频石英音叉的快速测量激光光谱气体传感器【哈尔滨工业大学马欲飞教授团队】

在生产生活中，工业废气中排放的二氧化硫、氮氧化物等会形成酸雨，危害土壤和水体生态系统，还会对人体呼吸系统造成损害。气体监测技术可用于监测大气、工业排放中的有害气体，帮助相关部门及时掌握环境质量状况，采取有效措施控制环境污染。同时，气体检测技术在医疗、安全监测、星际探测等领域都发挥着重要作用。

光致热弹光谱技术(Light-induced thermoelastic spectroscopy, 简称LITES)是一种非接触式的高灵敏度气体检测技术, 该技术的原理是激光穿过特异性气体照射在石英音叉表面引起其热弹性形变，并产生机械振动，机械振动导致石英晶体产生压电信号、用于反演气体浓度。LITES技术由于其具有特异性强、灵敏度高且全波段光谱检测等特点，优势显著，是近年来气体传感领域的研究热点之一。但一直以来，LITES传感器的测量周期普遍停留在秒量级以上，这就像用 “慢镜头” 观察快速变化的场景——当遇到化学反应中气体浓度的瞬间波动、燃烧场的动态变化，或是人体快速呼吸时的气体成分改变等 “快节奏” 场景时，传统LITES技术难以精准捕捉细节，严重限制了其在快速检测领域的应用。因此，如何让LITES技术 “提速”，实现毫秒级的快速测量，成为亟待突破的关键问题。

针对目前LITES传感系统测量速度慢的问题，哈尔滨工业大学马欲飞教授团队在其前期扎实的研究基础上，从石英音叉响应机制出发，对LITES气体传感系统进行了创新优化，采用外差解调、阶跃式波长扫描和高频石英音叉对系统进行升级，大幅提升LITES传感器的测量速度，以适应动态场景下的快速测量需求。研究人员采用了一种高频石英音叉作为探测元件，与标准石英音叉相比，该石英音叉具有较窄的叉指间隙和较短的叉指长度，其共振频率可达~100 kHz。实验采用外差解调技术搭建传感器系统，与传统的谐波解调技术相比，该技术使音叉处于瞬态响应下，大大缩短了系统的检测时间，同时能够校准音叉的频率。搭建的实验装置和两种音叉的结构参数如图1所示。

图1 传感器结构示意图。(a) H-LITES系统；(b)高频音叉结构图；(c)标准音叉结构图

C₂H₂-LITES传感器的信号测试结果对比如图2所示，可见高频音叉的“拖尾时间”明显减小。通过指数拟合可以看出，基于高频音叉的LITES系统响应速度相比标准音叉提升了约10倍，测量周期仅33 ms时即可保证音叉信号衰荡完全(信号衰减为0.1%)，且不同周期间不会发生串扰。

研究人员提出了一种新颖的波长扫描技术—阶跃外差式LITES技术(step heterodyne light-induced thermoelastic spectroscopy, 简称SH-LITES)。在标准H-LITES技术中，使用梯形波扫过吸收线，梯形波前半段会让激光器波长完整覆盖整个目标吸收线。在实际测量时，反映气体浓度的信号峰值只出现在吸收峰两侧的特定位置，其他位置的波长扫描并无必要。SH-LITES技术只在峰值出现的波长附近进行扫描，这样可省去对无效位置的扫描，在不改变音叉响应时间的前提下，测量周期进一步缩短。两种扫描方式如图3所示。

该工作还对比了在15 ms到39 ms之间不同扫描周期下H-LITES和SH-LITES的信号表现，如图4所示。对于H-LITES来说，它的信号幅值和扫描周期是 “深度绑定” 的，这是由于能量耗散问题，当缩短扫描周期时，信号就会出现串扰，幅值也跟着快速下降，周期越短衰减越明显。而SH-LITES在该范围内信号幅值并不会随着周期缩短而持续衰减。即使将周期压缩到15 ms，信号幅值还能稳定在57.7 μV，这个数值仍然优于H-LITES在33 ms周期下的54.2 μV。该结果表明，SH-LITES技术在时间效率上有所提升，扫描周期可以降低至15 ms。

如图5所示，SH-LITES系统以H₂O作为检测气体，测量表征了人体呼吸状态的变化情况，研究对比了商用音叉H-LITES传感器和高频音叉SH-LITES传感器的测量结果。

实验测量了纯空气、正常呼吸、快速呼吸和缓慢呼吸四种状态下水汽浓度的变化，结果表明基于高频音叉的SH-LITES传感器相比于基于标准音叉的H-LITES传感器捕捉到了更多的细节，在快速呼吸状态下基于标准音叉的H-LITES传感器信号已经发生了失真，而基于高频音叉的SH-LITES传感器仍然能够较好地反映浓度的变化，这表明该传感器在快速测量领域优势显著。

该研究从解调方式、波长扫描技术以及探测元件等角度出发致力于提升测量速度，使得系统的探测速度可达ms量级，能够有力地推动光致热弹光谱技术在快速测量领域的发展。研究成果以“Fast step heterodyne light-induced thermoelastic spectroscopy gas sensing based on a quartz tuning fork with high-frequency of 100 kHz”为题发表作为封面文章在Opto-Electronic Advances 2026年第1期。