基于真空封装微型石英音叉的多重激发光致热弹性光谱气体传感技术研究

针对传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术中石英音叉(QTF)易受腐蚀性气体损伤的问题，研究人员创新性地提出基于真空封装微型石英音叉(VP-MQTF)的多重激发光致热弹性光谱(LITES)增强方法。通过平面镜反射结构实现激光三次激发VP-MQTF，使乙炔(C2H2)检测的2f信号较标准QTF提升13.25倍，系统最低检测限(MDL)达471 ppb。该技术为非接触式高灵敏度气体检测提供了新方案。

　　

在环境监测和工业安全领域，高灵敏度气体检测技术始终是研究热点。传统石英增强光声光谱(QEPAS)虽具有优异性能，但其核心元件石英音叉(QTF)必须置于待测气体中，面对腐蚀性气体时金属镀层易受损，导致灵敏度下降和寿命缩短。这一瓶颈问题严重制约了该技术的应用范围。为此，光致热弹性光谱(LITES)技术应运而生，通过物理隔离QTF与气体样本实现非接触检测，但如何进一步提升信号强度仍是关键挑战。

齐鲁工业大学（山东省科学院）的研究团队在《Optical Materials: X》发表创新成果，提出基于真空封装微型石英音叉(VP-MQTF)的多重激发LITES增强方法。该研究采用频率32,766 Hz的VP-MQTF，通过耦合平面镜构建反射结构使激光三次激发音叉，结合3 m光程吸收池，实现了乙炔(C₂H₂)检测的突破性进展。关键技术包括：VP-MQTF真空封装工艺、平面镜反射光路设计、波长调制光谱(WMS)信号处理系统，以及基于洛伦兹拟合的Q因子精确计算方法。

实验装置
研究选用1525-1535 nm波段分布反馈(DFB)激光器，针对C₂H₂在1531.59 nm处的吸收峰进行检测。VP-MQTF与标准QTF的对比测试显示，前者谐振频率32,766.22 Hz、Q因子达13,943，较后者（32,751.16 Hz，Q因子5,191）性能显著提升。

结果与讨论
反射结构使激光在VP-MQTF表面形成三重激发，2f信号振幅较无反射镜结构提升2.06倍，较标准QTF提升13.25倍。系统线性度优异(R²=0.99865)，471 ppb的MDL验证了方法的超高灵敏度。真空封装不仅解决金属氧化导致的反射率衰减问题，更将Q因子提高近3倍。

结论
该研究开创性地将VP-MQTF与多重激发结构相结合，攻克了传统QEPAS技术易受气体腐蚀的难题。通过光学-机械-热学多物理场耦合优化，为痕量气体检测提供了兼具高灵敏度(ppb级)和长寿命的新一代解决方案，在环境监测、工业安全等领域具有重要应用价值。研究获得山东省自然科学基金(ZR2022QF035)等多项支持，相关技术已申请专利保护。