近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院馬欲飛教授課題組實(shí)現(xiàn)基于完美吸收體鍍層音叉的光致熱彈光譜高靈敏度氣體檢測。相關(guān)研究成果以《基于鍍有三層超薄完美吸收體的T型石英音叉的超高靈敏度光熱彈光譜傳感器 》(Ultrahigh sensitive LITES sensor based on a trilayer ultrathin perfect absorber coated T-head quartz tuning fork)為題發(fā)表于《激光與光子學(xué)評論》(Laser & Photonics Reviews)。
 

　　鍍膜結(jié)構(gòu)的制備與表征：(a)三層膜結(jié)構(gòu)示意圖；(b)鍍膜反射率、吸收率和透過率的理論值；(c)鍍膜反射率、吸收率和透過率的實(shí)測值；(d)鍍膜流程示意圖；(e)SEM截面圖

 

　　光致熱彈光譜技術(shù)(light-induced thermoelastic spectroscopy, 簡稱LITES)具有氣體選擇性好、檢測靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。石英音叉作為傳感器系統(tǒng)中的核心探測單元，對系統(tǒng)的檢測性能起到關(guān)鍵作用。然而，石英對1至5微米(μm)波長范圍內(nèi)的激光透過率高而吸收率低，無法有效利用入射激光能量，導(dǎo)致光熱彈電轉(zhuǎn)換效率較低，阻礙了LITES傳感器檢測能力的進(jìn)一步提升。
 

　　針對上述問題，課題組成員基于導(dǎo)納匹配原理的簡化理論框架，在T型石英音叉表面無電極覆蓋位置設(shè)計了三層超薄完美吸收體。該吸收體具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，將石英音叉對1530納米近紅外光的吸收率從不足10%提升到93%，大大增加了光熱彈電轉(zhuǎn)換效率和檢測靈敏度。相比標(biāo)準(zhǔn)石英音叉，鍍膜T型石英音叉信噪比提升了6.90倍。同時研究人員將40米光纖耦合多通池和摻鉺光纖放大器集成到LITES傳感系統(tǒng)中，增加了目標(biāo)氣體對激光的吸收和激光功率，實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度乙炔檢測。
 

　　鍍膜石英音叉：(a)標(biāo)準(zhǔn)石英音叉(左)和T型石英音叉(右)；(b)鍍膜T型石英音叉；(c)鍍膜結(jié)構(gòu)的顯微鏡圖像

 

　　鍍膜T型音叉性能提升效果：(a)標(biāo)準(zhǔn)音叉、T型音叉和鍍膜T型音叉的2f信號對比；(b)-(d)三者的噪聲；(e)5個月后標(biāo)準(zhǔn)音叉和鍍膜T型音叉的2f信號對比；(f)(g)5個月后標(biāo)準(zhǔn)音叉和鍍膜T型音叉的噪聲

 

　　基于鍍膜T型音叉的C2H2-LITES傳感性能測試: (a)不同C2H2濃度下2f信號峰值；(b)濃度線性響應(yīng)

 

　　哈工大為論文第一完成單位。馬欲飛教授、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王少偉教授為論文共同通訊作者，航天學(xué)院博士研究生王潤秋為論文第一作者。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所博士研究生關(guān)學(xué)昱、賈奇祥，航天學(xué)院何應(yīng)副教授、喬順達(dá)副研究員參與相關(guān)研究工作或提供論文指導(dǎo)。
 

　　該研究獲國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目及哈工大青年科學(xué)家工作室等項(xiàng)目資助。