哈工大全媒体（商艳凯 孙海岳/文 课题组/图）近日，我校航天学院马欲飞教授课题组实现基于并行外差光致热弹光谱传感技术的快速高灵敏多气体检测。相关研究成果以《基于并行外差光致热弹光谱传感技术的快速高灵敏多气体检测》（High-speed and high-sensitivity multi-gas detection based on parallel heterodyne LITES sensor）为题发表在《光：科学与应用》（Light：Science&Applications）。
当前，在深海生命起源研究、环境安全监测、地外行星探测等前沿领域，对多种痕量气体同时进行快速、高灵敏检测有着广泛的需求。然而，现有多气体激光光谱检测方法，如时分、空分复用或频分，往往受限于扫描时间长、系统结构复杂或无法适配固定共振频率探测器等固有瓶颈。如何在单一紧凑系统中实现高速、高灵敏的多气体同步检测成为亟待突破的核心挑战。
为此，马欲飞教授课题组在物理层构建了“协同信号增强架构”，针对弱吸收信号和探测器响应度不足的挑战，自主研发了具备超密集光斑的柱面光学多通池、高性能四叉石英音叉两种核心器件，在仅102.6mL的紧凑体积内实现了38.3m有效光程，显著增强了气体吸收信号，将传统双叉结构创新性增至四叉并优化几何尺寸，输出信号强度较商用音叉提升4.34倍。同时在信息层构建了“协同智能处理架构”，激光的激励信号在单个音叉上产生的热弹响应自动叠加成复合瞬态信号，通过深度学习模型，对叠加在单一音叉输出端的复合瞬态信号进行“特征提取-注意力增强-时序建模”，从重叠的光谱特征中准确“解缠”出各气体的贡献，实现了从单一音叉输出信号到多种气体浓度的精准映射。通过进一步实验验证，在仅4秒的扫描时间内，PH-LITES传感器对CH4和C2H2的最低检测限分别达到378ppb和285ppb，浓度预测相关系数高达0.998，CH4和C2H2的预测平均相对误差分别低至8.9%和5.8%。与其他双气体传感技术相比，PH-LITES传感器在检测灵敏度和响应速度上均表现出显著的综合优势。
PH-LITES传感器的整体架构：(a)物理层；(b)信息层
密集光斑光学多通池设计：(a)仿真模型；(b)柱面镜实物图；(c)仿真光斑；(d)实测光斑
新型低频四叉石英音叉光热探测性能表征：(a)实物图；(b)频率响应；(c)性能验证装置；(d)信号对比
PH-LITES传感性能验证：(a)多浓度预测；(b) 预测浓度与真实浓度的线性关系；(c)噪声水平；(d)不同光谱技术性能对比
航天学院马欲飞教授为论文唯一通讯作者，博士生孙海岳为论文第一作者。航天学院董永康教授、何应副教授、乔顺达副研究员，博士生张楚和硕士生侯金凤、王元治对论文发表作出贡献或参与相关研究工作。该研究获国家自然科学基金重点项目、哈工大青年科学家工作室等资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-026-02385-4
