石英增强光热光谱技术研究

A novel optothermal detection technique, quartz enhanced optothermal spectroscopy, will be developed in this project. The technique employs a homemade receiver collecting the thermal energy and transforming it to mechanical motion, and uses a quartz tuning fork (QTF) as the resonator enhancing the this motion and as the transducer converting the mechanical vibration of resonator into an electrical signal. Such a design is able to avoid the QTF disadvantage of the poor response sensitivity to thermal wave. The super high quality factor and high resonant frequency of the QTF offer the lower noise level and the better sensitivity compared to the traditional optothermal detection technique. As a sister and complementary technique of quartz enhanced photoacoustic spectroscopy, the novel technique can measure trace gas in the low pressure and high-resolution sub-Doppler spectroscopy, and carry out solid material detection and remote sensing detection, which can not be realized by quartz enhanced photoacoustic spectroscopy. It greatly expands the application range of the QTF-based detection technique, and provides a new detection approach for the researchers. These studies are very important for the development of infrared detection technology.

该项目探求发展一种全新的光热光谱探测技术——石英增强光热光谱技术。该技术以热波敏感材料制作的热波探测器作为中介，使用音叉式石英晶振作为机械共振增强器和压电转换器，对热波探测器吸收热波后产生的周期形变进行放大增强，再通过其压电效应转化为可测量的电信号。它巧妙避开音叉式石英晶振对热波响应灵敏度不高的劣势，充分利用音叉式石英晶振在振动上具有高品质因数和高频率的特点，获取比传统技术更低的探测噪声，提高探测灵敏度。这种技术作为现有石英增强光声光谱技术的姊妹技术，能够与其形成互补，完成当前石英增强光声光谱技术所不能实现的低压气体探测、亚多普勒光谱测量、固体及远程遥感探测等，极大的扩展了基于音叉式石英晶振探测技术的应用领域及范围。申请者希望通过发展本创新技术，不仅为原子分子物理研究者提供一种新的探测手段，而且为固体探测和遥感探测技术另辟蹊径。这些研究对于促进红外光谱探测技术的发展具有非常重要的意义。

光声光谱是一种高灵敏的光学探测技术，但在实际应用中存在一些限制，例如：不能实现低压气体探测、亚多普勒光谱测量、固体及远程遥感探测等。该项目探求发展一种全新的光热光谱探测技术——石英增强光热光谱技术。该技术以热波敏感材料制作的热波探测器作为中介，使用音叉式石英晶振作为机械共振增强器和压电转换器，对热波探测器吸收热波后产生的周期形变进行放大增强，再通过其压电效应转化为可测量的电信号。它巧妙避开音叉式石英晶振对热波响应灵敏度不高的劣势，充分利用音叉式石英晶振在振动上具有高品质因数和高频率的特点，获取比传统技术更低的探测噪声，提高探测灵敏度。项目从音叉式石英晶振的设计、热波探测材料的选择、热波与音叉式石英晶振高效耦合方法、传感模块结构设计与优化、相关传感器研究这几个方面开展相关研究。通过发展第三代音叉式石英晶振并结合选择的合适热波探测材料，设计了两种石英增强光热光谱探测模块，从而完成了几种痕量气体、固体传感器的研究。这种技术作为现有石英增强光声光谱技术的姊妹技术，能够与其形成互补，极大的扩展了基于音叉式石英晶振探测技术的应用领域及范围。.该项目共发表论文52篇，其中SCI Top一区9篇，Top二区16篇，二区2篇，在国际著名期刊《Nature Communications》和《Applied Physics Reviews》各发文一篇；共申请国内发明专利10项，美国专利1项，其中已授权发明专利5项，两项专利在山东惠工电气有限公司实施了技术转化；参加国内外会议25人次，其中特约报告8次；毕业硕士生2名，博士生2名，其中一人博士毕业论文被选为“2017年度全国光学优秀博士学位论文”；项目团队破格晋升教授1人，获“山西省中青年拔尖创新人才”1人，获青年三晋学者1人，入选“三晋英才”2人；团队获山西省高等学校优秀成果奖（科学技术）技术发明一等奖1项，山西省高校杰出成就奖1项，太原市自然科学优秀学术论文一等奖1项。