哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)馬欲飛教授課題組實(shí)現(xiàn)基于密集光斑多通池的光致熱彈光譜高靈敏度氣體檢測，相關(guān)研究成果以《一種基于多目標(biāo)算法設(shè)計(jì)的密集光斑多通池的高靈敏度光致熱彈光譜傳感器》(An ultra-highly 、WWW.shhzy3.cn/sensitive LITES sensor d on multi-pass cell with ultra-dense spot pattern designed by multi-ive algorithm)為題發(fā)表于《智匯光學(xué)》(PhotoniX)。
  光致熱彈光譜技術(shù)(light-induced thermoelastic spectroscopy, LITES)憑借高檢測靈敏度、快速響應(yīng)及優(yōu)異選擇性等核心優(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。提升LITES傳感器探測性能的核心路徑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(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、反射次數(shù)多等特點(diǎn)，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(shè)計(jì)面臨多參數(shù)優(yōu)化難題，傳統(tǒng)網(wǎng)格搜索算法在處理此類多參數(shù)優(yōu)化問題時(shí)，存在耗時(shí)冗長、設(shè)計(jì)成本高昂的缺陷，成為制約該類多通池高效研發(fā)與工程化落地的瓶頸。
 

PNSGA-II算法設(shè)計(jì)的五種光斑密集型多通池光斑圖案(理論仿真與實(shí)物對(duì)比)
 
  針對(duì)上述挑戰(zhàn)，課題組首次提出將“并行非支配排序遺傳算法”(Parallel Non-dominated Sorting /WWW.shzy4.com/Genetic Algorithm-II, PNSGA-II)與光斑密集型多通池?cái)?shù)學(xué)模型相結(jié)合的解決方案，設(shè)計(jì)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(gòu)建數(shù)學(xué)模型，*表征多通池的光程、光程體積比及光斑分布特征，并以“光程*化”與“光程體積比*化”為目標(biāo)，通過設(shè)定合理的參數(shù)約束范圍與迭代條件，利用上海儀表四廠PNSGA-II算法完成多通池參數(shù)尋優(yōu)，*終獲得適配不同應(yīng)用場景的5種差異化光斑圖案多通池(分別為六同心環(huán)、二十三圓環(huán)、十六圓環(huán)、十五圓環(huán)、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(huán)光斑圖案多通池的光程達(dá)到80m以上；與商用相關(guān)型號(hào)的赫里奧特(Herriott)多通池相比，十五圓環(huán)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(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越性。
 

  商用石英音叉與設(shè)計(jì)的圓形頭石英音叉對(duì)比：a. 商用石英音叉(QTF1)與圓形頭石英音叉WWW.shsaic.net/(QTF2)的實(shí)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(dǎo)納特性曲線；d. 圓形頭石英音叉的導(dǎo)納特性曲線。
 

  基于商用石英音叉(QTF1)和上海儀表四廠圓形頭石英音叉(QTF2)的C2H2-LITES傳感性能測設(shè)：a.不同C2H2濃度下2f信號(hào)峰值(QTF1)；b.濃度線性響應(yīng)(QTF1)；c.不同C2H2濃度下2f信號(hào)峰值(QTF2)；d.濃度線性響應(yīng)(QTF2)。
 
  同時(shí)，針對(duì)LITES系統(tǒng)中商用石英音叉存在共振頻率偏高、信號(hào)響應(yīng)微弱的不足，課題組設(shè)計(jì)了圓形頭低頻石英音叉。通過圓頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該器件的整體重心得到合理調(diào)控，振動(dòng)過程中的力矩顯著增加，有效提升了電荷產(chǎn)生率，加之其更低的共振頻率能夠延長能量積累時(shí)間，進(jìn)一步增強(qiáng)了信號(hào)輸出幅度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)商用石英音叉相比，上海自儀表三廠定制化圓形頭石英音叉可使LITES系統(tǒng)信號(hào)幅度提升約4倍，信噪比提升約3倍。該研究通過“多目標(biāo)優(yōu)化算法設(shè)計(jì)高性能多通池”與“定制化低頻石英音叉”的協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了LITES系統(tǒng)的吸收增強(qiáng)與探測增強(qiáng)雙重目標(biāo)，為提升激光氣體傳感技術(shù)靈敏度提供了全新的技術(shù)路徑與解決方案。
       哈工大為論文*通訊單位，馬欲飛為論文*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(yīng)、副研究員喬順達(dá)對(duì)論文發(fā)表作出重要貢獻(xiàn)。該研究獲*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。