OES封面丨宽带中红外光纤激光驱动脉冲增强光声光谱：重塑多组分挥发型有机物检测极限

  Opto-Electronic Science封面论文引荐电子科技大学刘永、李剑峰教授团队与李斌成教授团队协作 ，创始性地提出了一种由增益调制（Gain-switched, GS） Er3 +/ Dy3 +共掺中红外光纤激光器驱动的光声传感新架构。该架构打破了传统接连波调制的方法 ，将丙烷的勘探极限打破至416 ppt ，并完成了多种要害VOCs气体的ppb至亚ppb级高活络检测。

  为应对严重疾病无创早筛与工业污染物微痕量准确管控的火急需求 ，对挥发性有机物（VOCs） 的超活络在线检测已成为顶级痕量传感技能的中心标尺 。例如 ，人体呼气中极端微量的特定VOCs， 可作为肺癌 、 胃癌 、 糖尿病等严重疾病的前期临床“ 生物指纹 ” 。但是， 这些分子的浓度一般处于十亿分之一（ppb） 甚至万亿分之一（ppt） 等级 ，现有的剖析手法难以完成如此高活络度的选择性在线检测。

  光声光谱技能（PAS） 凭仗其零布景、高选择性和小型化的优势 ，被公认为极具潜力的痕量气体查验测验方案。其间， 3.2-3.5 m的中红外波段掩盖了简直包含于一切VOCs中的C-H键基频弹性振荡带 ，是完成高活络、多气体勘探的“黄金窗口 ” 。但是 ，该波段PAS长时间受困于两大难题 ：一是现有的中红外光源难以在该波段一起满意高功率、宽调谐与高安稳性； 二是传统的接连激光加强度调制战略会不可避免地损耗超越50%的光功率 ，并引进潜在机械噪声。怎么跨过这些物理与工程约束 ，是打破ppt级勘探壁垒的要害。

  图1.微秒脉冲激光与调制接连激光激起下的光声呼应示意图及比照。（a）分子级光声物理进程示意图；（b）脉冲与调制接连激光的演化热源；（c）两种激起方法下，共振光声池内一阶纵向声学形式的瞬态声压呼应；（d）图c中稳态呼应的细节扩大视图；（e）稳态信号的傅里叶变换频谱图；（f）不同调制占空比下的理论与试验光声激起功率比照。

  研讨团队从二能级能量模型动身 ，模拟了方针气体分子在微秒脉冲光激起下的能级跃迁与非辐射振荡弛豫进程。结合非齐次亥姆霍兹方程 ，准确求解了由此发生的瞬态热源向声学共振腔内纵向声压形式的能量转化。理论模型与试验深度提醒 ，具有kHz级重复频率的微秒级脉冲能够与声学谐振腔的本征频率完成完美耦合。在平等平均功率下 ，这种“热捆绑”效应带来的极高能量转化功率 ，使光声信号获得了/2的本征增强 ，可完成零功率损耗的增强型声学激起（图1）。

  图2. 根据GS-Er3 +/ Dy3 +共掺中红外光纤激光器PAS痕量气体检测体系。（a） 激光器架构；（b）激光能级图；（c） 泵浦-输出功率；（d） 3200-3550 nm可调谐激光输出。

  体系搭载的紧凑型中红外光纤激光器（图2a） 展示出了杰出的光学功能 ：其不只仅能够安稳输出245 mW的近单横模中红外激光（图2c） ，还可完成kHz至数十kHz范围内重复频率的精准调谐， 从而与声学谐振腔的本征频率达到完美共振 。 与此一起， 得益于Er3 +与Dy3 +共掺的双能级跃迁动力学进程（图2b） ，激光器可在3.2-3.55 m波段内完成超宽带的波长快速调谐 ，输出光谱线 ，完成了对中心C-H键分子指纹区的精准掩盖（图2d） 。这种集高功率、宽调谐与共振同步调制于一体的激光架构 ，为完成临床级、小型化VOCs勘探供给了极具潜力的解决方案。

  图3. GS-PAS体系的丙烷勘探功能与光谱表征；（a） 10至100 ppm不同丙烷浓度下的光声信号；（b）信号线性拟合曲线；（c）相同输入功率下，接连调制激光与微秒脉冲激光光声信号比照；（d） 相同泵浦功率下 ，接连调制激光与微秒脉冲光声信号比照；（e） 氮气布景；（f）Allan方差剖析；（g） 接连调制与微秒脉冲的布景信号比照； h 3200-3550 nm范围内的丙烷光声光谱与HITRAN数据库参阅光谱比照。

  依托这一立异的GS Er3 +/ Dy3 +光纤激光架构 ，体系在相同泵浦功率下 ，较传统接连波调制完成了4倍的光声呼应增强（图3d） 。凭仗极高的能量转化功率与高输出功率 ，体系对丙烷的检测限打破至416 ppt（图3f） ，并成功完成了其宽带吸收光谱的高分辨率精细重构（图3h） 。此外 ，体系展示出了杰出的多组分勘探通用性 ，跨过了醛类、醚类及烯烃类等多种要害 VOCs气体的ppb至亚ppb级检测门槛。不只将现有光声VOCs传感技能的归纳功能提升了一个数量级以上 ，更以其超高活络、宽带调谐与结构严密相连的归纳优势 ，为未来无创临床呼气确诊与工业排气精细监测供给了一种极具转化价值的强力传感东西。

  该作业得到了国家天然科学基金项目（项目号：62575051）和天府绛溪试验室效果转化基金的支撑。

  李剑峰 ， 电子科技大学光电科学与工程学院教授 ， 博士生导师 ，先进激光中心主任 ，光电信息科学专业首席教授 ， 国家优青 ， 欧盟玛丽居里学者 ， 四川省杰青 ， 四川省学术技能带头人 ，当选Elsevier 2020、 2023我国高被引学者。首要研讨方向包含中红外光纤激光、超快激光、激光光声检测、智能激光等方面 ，掌管二十余项国家级项目。 以榜首或通讯作者宣布SCI论文105篇 ， SCI E他引3000余次。研讨效果当选了“ 2017我国光学十大发展（根底类） ” , 并获得了第十届我国光学工程学会技能创造二等奖。

  罗鸿禹 ， 电子科技大学光电科学与工程学院副研讨员 ，硕士生导师 ， 长时间从事中红外光纤激光、超快光纤激光、高能光纤激光等相关范畴的研讨作业 ， 以榜首或通讯作者宣布SCI论文40余篇 ，获国家授权创造专利10余项 ，掌管国家天然科学基金面上/青年、 173根底加强方案技能范畴基金、四川省科技方案等国家级省部级科研项目十余项，曾获“王大珩高校学生光学奖”称谓。

  刘永，电子科技大学光电科学与工程学院教授、博士生导师，现在担任学院院长，长时间从事光电子技能讨论研讨，掌管国家要点研制方案、天然基金仪器（自在申报类）、天然基金要点等项目，取得了有必定的影响力的立异性成果，2009年获国家杰出青年科学基金，2013年当选教育部长江学者特聘教授，2020年成为教育部第八届科技委成员。