基于透射光放大的高灵敏度光致热弹性光谱技术及其在痕量气体检测中的应用

为解决弱光条件下光致热弹性光谱(LITES)系统检测灵敏度受限的问题，研究人员创新性地提出基于透射光放大的检测方法。通过多通池结合光学放大器，在16米光程下将透射光强从0.048 mW放大至4.083 mW，使信噪比(SNR)提升30.9倍，实现乙炔(C2H2)0.110 ppm的检测限。该研究为长光程弱光检测提供了新思路。

　　

在环境监测和工业过程中，痕量气体检测技术始终面临灵敏度与成本的双重挑战。传统激光吸收光谱技术受限于光电探测器的性能瓶颈，而新兴的光致热弹性光谱(LITES)技术虽然采用石英音叉(QTF)作为传感器具有成本优势，但在长光程条件下透射光强衰减至微瓦级时，检测灵敏度显著下降。这一技术瓶颈严重制约了LITES在超低浓度气体检测中的应用前景。

大连理工大学光电工程与仪器科学学院的研究团队在《Photoacoustics》发表的研究中，创新性地将光学放大技术引入LITES系统。通过构建包含多通池、光学放大器和窄带滤波器的检测体系，成功实现了在极弱光强条件下的高精度气体检测。研究证实，该方法可使系统在保持16米光程的同时，将信噪比提升30.9倍，最终达成0.110 ppm的乙炔检测限，为长光程弱光检测提供了可靠解决方案。

关键技术包括：1)采用100次反射的多通池构建16米光程；2)利用半导体光学放大器(SOA)提升透射光强；3)0.8 nm窄带光纤滤波器抑制自发辐射噪声；4)锁相放大器提取二次谐波(2f)信号。研究人员通过精确调控调制电流(20 mA)和QTF谐振频率(32757.75 Hz)，确保了系统的最佳响应。

【QTF频率校准】

通过洛伦兹曲线拟合确定QTF的谐振频率为32757.75 Hz，品质因数达8356，为后续调制频率选择提供依据。

【调制电流优化】

实验发现调制电流为20 mA时，200 ppm C₂H₂的2f信号峰峰值达到最大，确立了最佳调制参数。

【多通池透射光放大研究】

在1.67 mW基础光强下，光学放大器将光强提升至11.25 mW，使SNR提高3.6倍，检测限从0.103 ppm改善至0.029 ppm。

【弱光条件下的性能增强】

当透射光强降至0.048 mW时，系统仍能实现85.1倍光强增益和30.9倍SNR提升，证明该方法在极端弱光条件下的有效性。

该研究突破性地解决了LITES技术在长光程应用中的核心难题。通过光学放大与噪声抑制的协同作用，研究人员首次实现了μW级光强下的高精度检测。这一技术路径不仅适用于LITES系统，也为TDLAS和CEAS等光谱技术提供了新的信号增强思路。特别值得注意的是，该方法无需改变QTF结构或增加复杂电路，仅通过光学设计就实现了数量级的性能提升，展现出良好的工程应用前景。未来通过优化放大器性能和滤波带宽，有望进一步推动痕量气体检测技术的灵敏度边界。