基于多目标算法设计超密集光斑多通池的超高灵敏度光致热弹性光谱传感器研究

为解决传统多通池(MPC)设计效率低、光学路径长度(OPL)与体积比(RLV)难以兼顾的问题，研究人员采用并行非支配排序遗传算法II(PNSGA-II)设计了具有超密集光斑图案的MPC，构建了基于9.5 kHz自设计圆头石英音叉(QTF)的乙炔(C2H2)光致热弹性光谱(LITES)传感器系统。该传感器实现了80.14 m的实际OPL和>20 cm-2的RLV，最低检测限(MDL)达4.78 ppb，较商用32.768 kHz QTF提升3.45倍，为痕量气体检测提供了新方案。

　　

在工业生产和环境监测等领域，高灵敏度痕量气体检测技术至关重要。传统石英增强光声光谱(QEPAS)虽具有抗干扰能力强等优点，但需将石英音叉(QTF)浸入待测气体，无法检测腐蚀性气体。2018年提出的光致热弹性光谱(LITES)技术通过非接触式测量解决了这一难题，但其灵敏度受限于光学路径长度(OPL)和检测元件性能。如何设计兼具长OPL和高光学路径体积比(RLV)的多通池(MPC)，以及开发高性能QTF成为提升LITES传感器性能的关键挑战。

为突破这些限制，哈尔滨工业大学的马玉飞团队在《PhotoniX》发表了创新性研究。该工作主要采用三项关键技术：1) 开发并行非支配排序遗传算法II(PNSGA-II)设计具有超密集光斑的MPC；2) 构建基于直接吸收光谱的OPL校准系统；3) 研制低共振频率(9.5 kHz)的自设计圆头QTF增强信号检测。研究选用1500-1700 nm波长范围的分布式反馈(DFB)二极管激光器，通过波长调制光谱(WMS)和二次谐波解调技术进行气体浓度测量。

【设计超密集光斑图案的MPC】

研究人员建立了考虑球面像差的MPC计算模型，采用PNSGA-II算法同步优化OPL和RLV两个目标。设计的MPC采用两个曲率半径200 mm的球面镜，通过调整镜间距d、入射点(x₀,y₀)和入射角(θ,φ)等参数，获得了五种光斑图案。其中十五环簇状光斑图案的MPC实现了80.14 m的实际OPL和22.17 cm^-2的RLV，较传统MPC性能显著提升。

【MPC稳定性与性能验证】

通过引入±2°的角度扰动和±0.1 mm的镜间距变化进行稳定性测试，证实设计MPC具有良好的容错性。采用乙炔(C₂H₂)和甲烷(CH₄)在1530.37 nm和1650.96 nm的吸收线进行OPL校准，实测值与理论值误差<1%，验证了设计模型的准确性。与文献报道的MPC相比，该设计在反射次数(449次)、OPL和RLV等指标上均具有明显优势。

【传感器系统性能评估】

构建的C₂H₂-LITES传感器系统采用自设计圆头QTF(QTF2，f₀=9527.08 Hz)，相比商用QTF(QTF1，f₀=32758.12 Hz)实现了3.45倍的灵敏度提升。在100 ppm C₂H₂浓度下，QTF2检测信号幅度达1.46 mV，是QTF1的4.17倍。系统背景噪声为69.85 nV，最低检测限达4.78 ppb。Allan偏差分析显示，在200 s平均时间下MDL可进一步提升至891 ppt。

该研究通过创新性的多目标优化算法和检测元件设计，解决了MPC设计中OPL与RLV难以兼顾的难题，实现了目前报道中最高灵敏度的LITES传感器之一。所提出的PNSGA-II算法将设计时间缩短70%，为复杂光学系统设计提供了新思路。自设计低频率圆头QTF通过延长能量积累时间显著提升了信号幅度，这一设计理念可推广至其他光谱检测领域。研究成果为环境监测、工业过程控制和医疗诊断等领域的痕量气体检测提供了重要技术手段，特别是对腐蚀性气体的非接触式检测具有独特优势。未来可通过进一步优化光斑排布密度和QTF结构，实现更高灵敏度的全波段气体检测。