综述：石英增强激光光谱传感技术

《Light-Science & Applications》：Quartz-enhanced laser spectroscopy sensing

本综述系统评述了以石英音叉（QTF）为核心探测元件的石英增强光声光谱（QEPAS）和光致热弹性光谱（LITES）两种高灵敏气体传感技术。文章详细梳理了通过高功率激光激发、新型光源（如QCL、OFC）、定制化QTF（如低频率、特殊形状/材料）及声波/光路增强（如AmR、MPC）等策略提升检测性能（达ppb-ppt级）的最新进展，并展望了其在环境监测、医疗诊断等生命健康领域的微型化、智能化应用前景。

　　

石英增强激光光谱传感

气体传感技术在环境监测、工业过程控制、医疗诊断和安全预警等诸多领域扮演着至关重要的角色。其中，基于光谱学的传感技术因其高灵敏度和高选择性而备受青睐。石英音叉（QTF）作为一种具有高品质因数（Q值）、强抗噪能力、小尺寸和低成本优势的微型谐振器，其独特的共振特性能够显著增强系统信号强度。目前，以QTF为核心探测元件的两种光谱技术——石英增强光声光谱（QEPAS）和光致热弹性光谱（LITES），已成为光谱传感领域的研究热点。

基于QEPAS的气体传感

QEPAS原理

QEPAS技术是传统基于麦克风的光声光谱（PAS）的重要发展。其核心原理是光声效应：特定波长的调制激光被气体分子吸收后，分子通过非辐射跃迁将吸收的光能转化为热能，引起周围气体温度的周期性变化，从而产生声波。该声波的频率与激光调制频率一致，其振幅与气体浓度成正比。在QEPAS中，利用QTF作为声波 transducer。当QTF的共振频率（f₀）与产生的声波频率匹配时，会发生共振，放大QTF的振动。借助压电效应，QTF振动的机械能会被转换为微弱的电流信号，通过测量该电信号即可反演出气体浓度。

标准QEPAS传感器系统主要由调制信号产生、气体吸收、声波探测和数据处理四个部分组成。通常采用波长调制光谱（WMS）技术和锁相放大器（LIA）进行二次谐波（2f）信号检测以提升信噪比（SNR）。QEPAS信号幅度（S）可近似表示为 S ∝ αPQ/f₀，其中α为气体吸收系数，P为激光功率，Q为QTF的Q值。该公式指明了提升QEPAS传感性能的主要方向。

高性能QEPAS传感器的增强策略

高功率激光增强

通过增加激发光源的功率可以激发更多气体分子，产生更强的声波信号。主要策略包括：

1. 1.
   EDFA放大激光：利用掺铒光纤放大器（EDFA）将近红外分布式反馈（DFB）二极管激光器的输出功率从毫瓦级放大至瓦级，显著提升了对于C₂H₂、HCN、H₂S、NH₃等气体的检测灵敏度，实现了ppb甚至ppt级别的检测限（MDL）。
2. 2.
   量子级联激光器（QCL）：QCL能够在中红外波段输出数十至数百毫瓦的高功率激光，直接作用于气体的基频强吸收带，为CO、N₂O、CH₄、SF₆等气体的高灵敏检测提供了理想光源，MDL可达ppt至ppb量级。
3. 3.
   内腔式结构（I-QEPAS）：将QEPAS探测模块置于激光谐振腔内部，利用腔内强大的功率增强效应（增益因子可达数百倍），极大地提高了激光能量的利用率，实现了对于CO₂、C₂H₂等气体的超高灵敏度检测。

新型激发光源

为了利用气体分子在更强吸收波段（如基频带、太赫兹波段）的特性，研究人员引入了多种新型光源：

1. 1.
   固态激光器：具有优良光束质量和宽调谐范围的固态激光器（如2μm波段Tm:YAP激光器）被用于QEPAS，为H₂O和NH₃检测提供了新的光源选择。
2. 2.
   光学频率梳（OFC）：特别是双光梳光谱（DCS）与QEPAS的结合，利用其多波长、高分辨率的特性，实现了对C₂H₂、CH₄等多组分气体的高精度并行检测。
3. 3.
   太赫兹激光器：许多气体分子在太赫兹波段具有强吸收线，利用太赫兹QCL作为激发源，为H₂S等气体的探测开辟了新途径。

定制化QTF

QTF本身的性能对检测灵敏度有决定性影响。优化设计主要集中在：

1. 1.
   尺寸设计：根据欧拉-伯努利梁理论，QTF的共振频率f₀∝ W/L²（W为音叉臂宽度，L为长度）。通过增加L、减小W，可以设计出低频率（如~3 kHz）的定制QTF，延长激光与气体的有效作用时间，有利于检测弛豫速率慢的气体并提高灵敏度。
2. 2.
   形状设计：通过优化音叉臂的形状（如T型、梯形头、圆头、锥形、四叉指等），可以改善应力分布和压电电荷密度，从而在相同激发条件下获得更强的电信号输出。
3. 3.
   材料设计：探索使用压电系数更高的材料（如铌酸锂，LiN）制作音叉，有望获得比石英QTF更优异的探测性能。

声波增强

增强作用于QTF的声波强度是提升信号的另一关键途径：

1. 1.
   多通池增强：通过光学设计使激光束多次穿过QTF音叉臂之间的间隙，产生多个声源协同激发QTF，可使信号增强数倍至数十倍。
2. 2.
   声学谐振器增强：在QTF附近添加声学微谐振器（AmR），如on-beam（双侧管、单管）、off-beam、T型、径向腔等结构，利用声学共振形成驻波场，可放大声波振幅，显著提升QEPAS信号。

基于LITES的气体传感

LITES原理

LITES技术基于QTF的光致热弹性效应。调制激光被气体吸收后，其强度受到调制。这束强度被调制的激光被聚焦照射到QTF（通常是其基底或音叉臂）上。石英材料吸收光能产生局部热弹性膨胀，引发周期性的机械形变，进而通过压电效应转化为电信号。与QEPAS直接探测气体产生的声波不同，LITES探测的是激光强度变化引起的QTF自身振动，因此是一种非接触式测量方法，更适合于腐蚀性气体等特殊场景。其传感器输出可表示为 S = k Q I_2ω，其中k为系统常数，I_2ω代表由气体吸收和激光调制引起的光功率扰动。

高性能LITES传感器的增强策略

光学腔增强

通过增加光与气体的有效相互作用路径长度来增强吸收信号：

1. 1.
   多通池（MPC）：利用Herriott型、密集光斑型、Lissajous图形等多通池，将有效光程（OPL）从厘米级延长至数米甚至数十米，大幅提高了对CO、C₂H₂、CH₄等气体的检测灵敏度。
2. 2.
   离轴积分腔：利用高精细度光学谐振腔，使激光在腔内多次反射，极大增加了有效光程，同时具有较小的体积。
3. 3.
   光学波导：采用空心反谐振光纤（HC-ARF）、空心光子晶体光纤（HC-PCF）或空心波导（HWG）作为气体吸收池和传光介质，不仅保持了长光程优势，还极大地简化了光路对准，促进了传感器的微型化和集成化。

改进型QTF

提升QTF探测元件本身的性能：

1. 1.
   镀膜QTF：在QTF表面涂覆特殊材料（如Fe-CoO二维薄膜、石墨烯、PDMS-rGO复合材料、钙钛矿CH₃NH₃PbI₃等），可以增强光吸收效率、热膨胀系数或引入光电-热弹性协同效应，从而显著提升信号响应。
2. 2.
   侧向激发（SE-LITES）：将激光从QTF的音叉臂侧面入射，使光束穿透整个石英晶体，其吸收路径长度相当于音叉臂的宽度，远大于传统的正面激发（厚度方向），从而显著增强了热弹性效应和信号幅度。

外差探测技术（H-LITES）

利用QTF的瞬态响应特性，通过外差探测方法，可以快速（毫秒级）获取气体浓度信息，同时还能得到QTF的共振频率和Q值等参数。自相关H-LITES（SC-H-LITES）技术通过信号归一化和频率偏移校正，有效抑制了激光功率波动、光斑位置漂移和QTF共振频率变化对测量结果的影响，提高了传感器的鲁棒性。基于法布里-珀罗（F-P）腔的相位解调H-LITES则通过探测QTF的振动位移来反演气体浓度，提供了新的技术思路。

QEPAS-LITES联用技术

为了最大化激光能量的利用率和提升检测性能，提出了将QEPAS和LITES相结合的方案：

1. 1.
   多QTF方案：使用两个QTF分别探测光声信号和热弹性信号，并通过调节温度或压力使两个QTF的共振频率匹配，实现信号叠加。
2. 2.
   单QTF方案：在同一QTF上同时激发光声效应和热弹性效应，实现双光谱信号探测，简化了系统结构，避免了频率匹配问题。通过结合多通池和声学谐振器，可进一步优化信号。

石英增强激光光谱技术展望

未来，石英增强激光光谱传感技术将向更高灵敏度、更高集成度（乃至芯片级集成）和更实用的方向发展。其核心价值在于赋能泛在、实时、智能的气体感知能力。与机器学习算法的结合可优化信号处理和特征提取。微型化便携设备与低功耗激光模块的结合使得现场快速检测成为可能。实时多组分检测技术则为大气化学研究、医疗诊断等提供了新工具。尽管在成本控制、环境适应性、技术标准化等方面仍面临挑战，但随着技术的不断突破，石英增强激光光谱技术有望在环境健康、工业安全、精准医疗、深空探测及国家安全等领域发挥更重要的作用，从一种先进的检测技术演变为支撑未来智能社会发展的关键平台技术。

结论

本综述详细总结了基于QTF的两种气体传感技术——QEPAS和LITES的最新研究进展。重点介绍了通过高功率激光、新型光源、定制QTF、声波/光路增强等手段提升气体检测灵敏度、系统稳定性、响应速度和结构特性的各种策略。QEPAS和LITES技术优势互补，其性能提升路径清晰。这些技术的发展不仅推动了气体传感性能的边界，也为其在生命科学、健康医学及相关领域的实际应用奠定了坚实基础。未来，随着跨学科融合的深入，这两种技术将继续向高性能、高集成度和实用化方向演进。