马欲飞教授团队Light：石英增强激光光谱传感技术进展

 研究背景 

气体传感技术在环境监测、工业生产、医疗诊断以及安全预警等领域具有广泛应用。随着工业化进程加快和环境污染问题日益严重，对高灵敏度、高选择性痕量气体检测技术的需求不断增长。尽管气体传感技术已得到广泛研究，但高灵敏度、快速响应的痕量气体检测仍面临诸多挑战。光谱传感技术利用物质对光的吸收、发射或散射特性来确定气体类型和浓度。吸收光谱技术凭借其独特的“指纹”特性，在高灵敏度气体测量中备受青睐。

图1. 气体检测技术的应用

2002年美国莱斯大学的Tittel等人提出了QEPAS技术，首次将石英音叉引入到光谱气体传感领域中。石英音叉是一种具有压电效应的微型谐振器，其具有品质因数高、灵敏度高且频率选择性优异等特点。此外，石英音叉的体积小（< 3 mm³）、重量轻、无功耗，在便携式和微型化气体传感器中展现出广阔应用前景。2018年，哈尔滨工业大学马欲飞等人提出了基于石英音叉光致热弹性效应的LITES技术。该技术不仅继承了QEPAS的优点，还实现了非接触式检测，有效拓展了传感技术的应用范围。

 研究亮点 

本文系统梳理了基于石英音叉探测的QEPAS和LITES气体传感技术的最新进展。全文分为两部分：第一部分阐释QEPAS的基本原理，并从多角度讨论了近年来提升QEPAS传感器检测性能的研究进展；第二部分介绍了LITES技术的原理，以及提高LITES传感器检测灵敏度与稳定性的最新研究成果。

QEPAS技术是基于气体的光声效应，利用石英音叉探测气体吸收激光能量后产生的光声信号，进而获知气体的浓度信息。在QEPAS系统中，检测性能直接受到石英音叉叉指间的声波强度的影响，声信号越强，石英音叉的激发振动位移越大，产生的压电响应越明显，从而能够提高信号水平和气体检测的灵敏度，因此，增强声波和石英音叉之间的相互作用是提高检测性能的关键途径。图2中梳理了当前QEPAS系统探测性能多种改进方案，主要技术路径包括：1）高功率光源激发增强；2）新型光源增强；3）定制石英音叉增强；4）声学共振增强。文中也从这四个主要角度详细总结了关于QEPAS技术的最新研究进展。

图2. QEPAS技术改进方案

LITES技术作为一种非接触式测量技术，是利用石英音叉对气体吸收后的光强进行检测，以此反演气体的浓度信息。基于LITES的气体传感器灵敏度优化主要集中于提升气体探测灵敏度以及提高系统响应速度。根据目前LITES技术的最新研究进展，LITES传感器探测性能的有效优化策略可归纳为以下四类(图3)：1）光学腔增强技术；2）定制石英音叉增强技术；3）外差增强技术；4）QEPAS-LITES双光谱技术。以上研究促进了LITES技术的发展，也为推动石英增强激光光谱技术的实用化作出了突出的贡献。

图3. 各LITES技术改进方案

 总结展望 

本文系统地总结了基于石英音叉探测的QEPAS和LITES痕量气体传感技术的最新研究进展，重点介绍了在高功率激光激发、新型光源、定制石英音叉、声波增强、光学腔设计、外差解调及技术融合等方面的创新。这些技术不仅显著提升了气体检测的灵敏度、稳定性和响应速度，还推动了石英增强激光光谱技术向微型化、集成化和实用化方向发展。未来，随着机器学习算法的集成、便携式设备的发展以及实时多组分检测需求的增长，该技术将在智能城市、精准医疗、新能源等领域发挥更大作用。尽管在成本控制、环境适应性和标准化方面仍面临挑战，但通过光学集成、自适应补偿算法和技术标准的建立，石英增强激光光谱技术有望成为支撑未来智能社会发展的关键平台技术。

 论文信息 

Qiao, S., Liu, X., Lang, Z. et al. Quartz-enhanced laser spectroscopy sensing. Light Sci Appl 15, 5 (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41377-025-02075-7

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