哈工大发布并行外差LITES传感器，4秒同步检测甲烷乙炔

哈尔滨工业大学马玉飞教授团队近日在国际光学顶刊《Light: Science & Applications》发表研究成果，正式推出一种新型并行外差光致热弹性光谱（PH-LITES）多气体传感器。该设备可在单次4秒扫描内，同步完成对甲烷（CH₄）和乙炔（C₂H₂）两种痕量气体的高灵敏度检测，Zui低检出限分别达378 ppb和285 ppb，浓度预测相关系数R²高达0.998。这一技术突破直指深海原生生命研究、工业毒害气体快速识别及行星大气成分分析等对响应速度与检测精度双重严苛的应用需求。

传统单气体传感器已难以应对复杂混合气中多组分瞬态信号的同步捕获。现有激光吸收光谱多气体检测方案——如时分复用、空分复用或频分复用——普遍存在扫描周期长、光学系统结构臃肿、或与固定谐振频率的石英音叉（QTF）探测器不兼容等问题。尤其在火星大气探测中，CH₄与C₂H₂浓度均低于1 ppb量级，且需在有限观测窗口内同步获取；在化工园区泄漏预警场景中，神经性毒剂与有毒工业化学品（TICs）常共存，要求设备能在数秒内完成多种目标物的定性定量判别。PH-LITES正是为解决这类‘高速+高敏+多组分+紧凑化’四重约束而设计。

该传感器的核心创新体现在物理层与信息层的协同优化。物理层上，团队构建了协同信号增强架构（CSEA）：其一，自主研发超密光斑模式圆柱形多通池（MPC），利用两组正交排布的微型柱面镜引入像散效应，在仅102.6 mL体积内实现38.3 m有效光程，光程体积比（OPL/V）达37.4 cm⁻²，创同类器件纪录；其二，研制四齿石英音叉（TF），将传统双齿结构升级为四齿，并优化几何尺寸，使输出信号幅度提升4.34倍，显著改善微弱热弹性信号的信噪比。两项硬件创新形成信号增强闭环，为高灵敏度奠定物理基础。

高速检测能力则依赖于并行外差调制机制：不同波长的分布式反馈激光器（DFB lasers，分别工作在1.65 μm与1.53 μm）共享同一密集光斑路径，共同激发单个四齿QTF，产生复合瞬态响应信号。该设计避免了传统多通道系统中激光切换、光路切换或探测器切换带来的延迟，真正实现‘单光源路径、单探测器、单次采集’的多气体同步解析。

智能解耦：从复合信号中精准分离各组分浓度

信息层采用协同智能处理架构（CIPA），针对单QTF输出的天然叠加信号进行深度解析。团队构建融合卷积神经网络（CNN）、混合注意力机制（HAM）与双向长短期记忆网络（BiLSTM）的深度学习模型，执行‘特征提取—注意力加权增强—时序建模’三阶段处理。该模型能自动识别并剥离CH₄与C₂H₂在热弹性响应中的重叠谱特征，将单一输出信号直接映射为多个独立浓度值。实验表明，在不同浓度配比的混合气测试中，CH₄与C₂H₂的平均相对误差（MRE）分别仅为8.9%和5.8%，远优于现有双气体传感方案。

面向中国B2B用户的实际应用关注点

对国内从事环境监测设备集成、深海科考装备配套、行星探测载荷开发及高端气体分析仪制造的企业而言，PH-LITES技术提供了三条关键参考：第一，其紧凑型多通池（102.6 mL体积）与四齿QTF可作为核心模块嵌入便携式或机载平台，替代进口高成本多通道TDLAS系统，降低整机功耗与体积；第二，1.5–1.7 μm波段DFB激光器在国内已有成熟供应链（如武汉华日、苏州长光华芯），器件国产化适配门槛较低；第三，该方案不依赖低温冷却或真空封装，对温漂与振动稳定性要求低于量子级联激光器（QCL）方案，更适合野外、船载及空间受限场景部署。值得注意的是，当前验证仅覆盖CH₄/C₂H₂双组分，若扩展至H₂S、NH₃等更多气体，需匹配对应波长DFB激光器并重新训练CIPA模型——这对有自主算法能力的仪器厂商构成技术延伸机会。

欧美市场对痕量多气体实时分析设备需求持续增长。美国EPA近年强化工业区VOCs与H₂S协同监测要求，欧盟《工业排放指令》（IED）明确要求化工设施部署具备多组分识别能力的在线监测终端。PH-LITES所展示的4秒级响应与亚ppm级灵敏度，恰好切入这一合规性升级窗口。对中国出口型企业而言，该技术路径规避了传统多通道系统的专利壁垒（如Picarro、Los Gatos的时分/空分架构），为开发差异化高端气体分析仪提供新支点。

目前该传感器仍处于实验室验证阶段，尚未公布量产时间表或工程样机参数。但其物理架构与算法框架已具备向工程化迁移的基础——尤其是多通池加工工艺与四齿QTF批量制备工艺，均可依托国内精密光学与微纳机电（MEMS）代工厂实现。下一步Zui值得关注的是：团队是否启动与国内气体分析仪头部企业（如聚光科技、雪迪龙、禾信仪器）的联合工程化验证，以及是否针对石化、环保、航天等细分领域推出定制化波长组合模块。