通过低频弹弓形石英音叉和光学增强技术实现的超灵敏CH4-LITES传感器

《ACS Sensors》：Ultra-Sensitive CH4-LITES Sensor Enabled by Low-Frequency Slingshot-Shaped Quartz Tuning Fork and Optical Enhancement

本论文首次报道了一种基于低频弹射形石英谐振器（QTF）与光学增强技术的超灵敏甲烷（CH4）LITES传感器。通过弹射形过渡结构优化声能积累时间，抑制光学散射噪声，显著提升传感性能。实验表明，采用该QTF的LITES系统信噪比提高2.26倍，最小检测限优化至0.72 ppb，噪声等效吸收系数达1.38×10^-9 cm^-1·W·Hz^-1/2。结合Raman光纤放大器增强激光功率及多程池（MPC）促进气体吸收，系统检测能力显著增强，为环境监测和工业安全提供新方案。

　　

本文首次报道了一种基于低频弹弓形石英音叉（QTF）和光学增强的超灵敏甲烷（CH₄）检测传感器。这种弹弓形QTF是核心创新组件，具有较低的共振频率（约7.9 kHz）、较大的叉臂间隙（>1000 μm）以及弹弓形的弯曲过渡结构，这些特点显著延长了声能积累时间，抑制了光学散射噪声，并优化了应力分布，从而全面提升了传感性能。有限元仿真结果表明，与标准商用QTF相比，弹弓形QTF的最大温度梯度和总表面电荷分别增加了3.53倍和2.68倍。实验验证显示，基于这种弹弓形QTF的LITES系统的信噪比（SNR）比使用标准QTF的系统提高了2.26倍。为了进一步提高甲烷的检测性能，采用了拉曼光纤放大器（RFA）来增强二极管激光器的功率；同时使用具有密集光斑图案的多通池（MPC）和约80米的光学路径长度，以及自设计的放大器，来促进气体吸收并增强信号增益。这三个组件的协同作用有效地提高了传感器的检测能力，具体方式包括增加激励强度、促进气体吸收和增强信号增益。在这种配置下，该传感器对甲烷（CH₄）的最小检测限（MDL）为8.42 ppb，噪声等效归一化吸收系数（NNEA）为1.38 × 10^–9 cm^–1·W·Hz^–1/2。阿伦方差分析表明，在350秒的平均时间下，传感器的最小检测限被优化至0.72 ppb。本研究提出了一种具有显著性能优势的新型QTF结构以及光学增强策略，适用于高灵敏度甲烷气体检测，在环境监测和工业安全等领域具有重要的应用前景。