哈工大全媒体（商艳凯 马晗旭/文 课题组/图）近日，我校航天学院马欲飞教授课题组提出基于正交相位调制与李萨如模式解耦的光致热弹光谱传感新技术，首次将李萨如振动模型引入多组分光热气体传感领域，实现了单石英音叉对甲烷（CH4）与乙炔（C2H2）的同步检测。相关研究成果以《用于实时多组分气体传感的光致热弹光谱中的正交相位调制与李萨如模式解耦》(Orthogonal phase modulation and Lissajous mode decoupling in light-induced thermoelastic spectroscopy for real-time multi-component gas sensing)为题发表于《物理学进展报告》(Reports on Progress in Physics)。
在环境监测、工业安全与过程控制等领域，实时多组分痕量气体检测具有不可替代的工程价值。以甲烷和乙炔为例，在油气开采中，甲烷是泄漏的通用示踪剂，乙炔则常预示局部高温热解或电弧等高危故障，同步获取二者浓度可为故障早期预警提供更丰富的前兆特征。2018年，马欲飞课题组提出光致热弹光谱（Light-induced thermoelastic spectroscopy，简称 LITES）技术，使激光穿透待测气体后聚焦于石英音叉表面，利用其光致热弹效应反演气体浓度。凭借非侵入、快速响应和全波段光谱检测等优势，LITES为气体传感开辟了新途径并迅速成为研究热点。然而，传统单气体传感器难以实现双组分实时同步分析，现有双组分方案也因多探测元件或时分复用而面临着系统复杂、无法真正同步的困境。
针对相关问题，课题组首次将李萨如振动模型引入LITES多组分传感的机理分析，建立了双路光热激励下石英音叉的二维受迫振动模型，揭示了振动轨迹与李萨如图形的内在联系，从物理机制层面阐明了相位差与幅值失衡对模式耦合及通道串扰的影响规律，为系统优化与校准提供了理论依据。在正交相位调制方案中，两束分别对应甲烷和乙炔吸收线的连续波分布反馈激光器，以相同频率（石英音叉共振频率的二分之一）、45度相位差的正弦信号进行调制。两束激光经波分复用器合束后，激励同一支自行设计的低频石英音叉，音叉产生的复合压电信号通过锁相放大器进行正交解调，从解耦后的X分量与Y分量中独立反演两种气体的浓度信息。该方案仅需单一调制频率与单一探测器，在确保实时同步测量的同时显著降低了系统复杂度。实验结果表明，该正交相位调制的传感器（OPM-LITES）对甲烷和乙炔均表现出优异的线性响应特性。在低中浓度区间内，二次谐波信号幅值随气体浓度呈稳定的线性增长，线性拟合决定系数R2均达到0.999；进一步拓展至高浓度区间，传感器响应趋势依然稳定，展现出宽量程检测能力。Allan偏差分析进一步验证了系统的长期稳定性，在200秒（s）积分时间下，甲烷和乙炔的最小探测极限分别达到0.32ppm（ppm为表示百万分比的浓度单位）和0.29ppm。
OPM-LITES中正交解耦机制的正交投影类比示意图
正交驱动力调制与信号解耦示意图
OPM-LITES传感器全量程响应特性与检测限分析
马欲飞教授为论文唯一通讯作者，课题组博士研究生马晗旭为论文第一作者，课题组副研究员乔顺达、副教授何应、博士研究生孙海岳参与相关工作。
该研究获国家自然科学基金、哈工大点子基金等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6633/ae79a3