【儀表網 研發快訊】近日，哈爾濱工業大學航天學院馬欲飛教授課題組實現基于超密集光斑多通池的光致熱彈光譜超高靈敏度氣體檢測，相關研究成果以《一種基于多目標算法設計的超密集光斑多通池的超高靈敏度光致熱彈光譜傳感器》(An ultra-highly sensitive LITES sensor based on multi-pass cell with ultra-dense spot pattern designed by multi-objective algorithm)為題發表于《智匯光學》(PhotoniX)。
光致熱彈光譜技術(light-induced thermoelastic spectroscopy, LITES)憑借高檢測靈敏度、快速響應及優異選擇性等核心優勢，在環境監測、火災預警、醫療診斷等領域展現出重要的應用價值。提升LITES傳感器探測性能的核心路徑之一是增加激光在待測氣體中的吸收光程，光斑密集型多通池因具有結構簡單、穩定性強、反射次數多等特點，成為研制短基長、長光程多通池的理想方案。然而，光斑密集型多通池的設計面臨多參數優化難題，傳統網格搜索算法在處理此類多參數優化問題時，存在耗時冗長、設計成本高昂的缺陷，成為制約該類多通池高效研發與工程化落地的瓶頸。
PNSGA-II算法設計的五種光斑密集型多通池光斑圖案(理論仿真與實物對比)
針對上述挑戰，課題組首次提出將“并行非支配排序遺傳算法”(Parallel Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II, PNSGA-II)與光斑密集型多通池數學模型相結合的解決方案，設計兼具長光程與高光程體積比的高性能多通池。該研究基于矢量形式的光反射定律構建數學模型，精準表征多通池的光程、光程體積比及光斑分布特征，并以“光程最大化”與“光程體積比最大化”為目標，通過設定合理的參數約束范圍與迭代條件，利用PNSGA-II算法完成多通池參數尋優，最終獲得適配不同應用場景的5種差異化光斑圖案多通池(分別為六同心環、二十三圓環、十六圓環、十五圓環、花朵光斑)。性能測試表明，五種多通池的光程體積比均突破20cm-2，其中十五圓環光斑圖案多通池的光程達到80m以上；與商用相關型號的赫里奧特(Herriott)多通池相比，十五圓環光斑圖案多通池的光程提升約8倍，光程體積比提升約15倍，充分驗證了該優化設計方案的優越性。
商用石英音叉與自主設計的圓形頭石英音叉對比：a. 商用石英音叉(QTF1)與圓形頭石英音叉(QTF2)的實物圖；b. 商用石英音叉與圓形頭石英音叉的共振頻率圖；c. 商用石英音叉的導納特性曲線；d. 圓形頭石英音叉的導納特性曲線。
基于商用石英音叉(QTF1)和圓形頭石英音叉(QTF2)的C2H2-LITES傳感性能測設：a.不同C2H2濃度下2f信號峰值(QTF1)；b.濃度線性響應(QTF1)；c.不同C2H2濃度下2f信號峰值(QTF2)；d.濃度線性響應(QTF2)。
同時，針對LITES系統中商用石英音叉存在共振頻率偏高、信號響應微弱的不足，課題組自主設計了圓形頭低頻石英音叉。通過圓頭結構優化，該器件的整體重心得到合理調控，振動過程中的力矩顯著增加，有效提升了電荷產生率，加之其更低的共振頻率能夠延長能量積累時間，進一步增強了信號輸出幅度。實驗數據顯示，與傳統商用石英音叉相比，定制化圓形頭石英音叉可使LITES系統信號幅度提升約4倍，信噪比提升約3倍。該研究通過“多目標優化算法設計高性能多通池”與“定制化低頻石英音叉”的協同創新，實現了LITES系統的吸收增強與探測增強雙重目標，為提升激光氣體傳感技術靈敏度提供了全新的技術路徑與解決方案。
哈工大為論文唯一通訊單位，馬欲飛為論文第一作者和通訊作者，課題組碩士研究生孫曉镕為論文第二作者，課題組博士研究生孫海岳、副教授何應、副研究員喬順達對論文發表作出重要貢獻。該研究獲國家自然科學基金重點項目及哈工大青年科學家工作室等項目資助。
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