近日，光电科学与工程学院刘永教授团队李剑峰课题组联合李斌成教授团队，在光学类1区TOP期刊Opto-Electronic Science上发表了题为“Ppt-Level Volatile Organic Compounds Detection viaMicrosecond-Pulse-Enhanced Mid-infrared Photoacoustic”的研究论文，并被选为当期封面。电子科技大学为论文第一完成单位，光电学院博士研究生王森宇、赵亮和副研究员罗鸿禹为论文共一作者；光电学院李剑峰教授为唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、天府绛溪实验室成果转化基金等项目资助。
为应对重大疾病无创早筛与工业污染物微痕量精确管控的迫切需求，对挥发性有机化合物（VOCs）的超灵敏在线检测已成为尖端痕量传感技术的核心标尺。例如，人体呼气中极其微量的特定VOCs，可作为肺癌、胃癌、糖尿病等重大疾病的早期临床“生物指纹”。然而，这些分子的浓度通常处于十亿分之一（ppb）乃至万亿分之一（ppt）级别，现有的分析手段难以实现如此高灵敏度的选择性在线检测。光声光谱技术（PAS）凭借其零背景、高选择性和小型化的优势，被公认为极具潜力的痕量气体检测方案。其中，3.2~3.5 µm的中红外波段覆盖了几乎包含于所有VOCs中的C-H键基频伸缩振动带，是实现高灵敏、多气体探测的“黄金窗口”。
然而，该波段PAS长期受困于两大难题：一是现有的中红外光源难以在该波段同时满足高功率、宽调谐与高稳定性；二是传统的连续激光加强度调制策略会不可避免地损耗超过50%的光功率，并引入潜在机械噪声。为破解上述难题，研究团队开创性地提出了一种由增益调制（Gain-switched, GS）Er3+/Dy3+共掺中红外光纤激光器驱动的光声传感新架构。首次在气体传感领域引入并验证了微秒脉冲增强型光声光谱（MPEPAS）物理机制，并实现了多种关键VOCs气体的ppt至ppb级高灵敏检测，将现有传感性能提升了一个数量级以上。
图1. 基于GS-Er3+/Dy3+共掺中红外光纤激光器PAS痕量气体检测系统；a激光器架构；b激光能级图；c泵浦-输出功率；d3200-3550 nm可调谐激光输出。
系统搭载的紧凑型GS中红外光纤激光器（图1a）其不仅能够稳定输出高达245 mW的近单横模中红外激光（图1c）；还可实现kHz至数十kHz范围内重复频率的精准调谐，从而与声学谐振腔的本征频率达成完美共振，且实现无损调制。与此同时，激光器可在3.2~3.55 µm波段内实现超宽带的波长快速调谐，光谱线宽<0.7 cm-1，可对核心C-H键分子指纹区的精准覆盖（图1d）。这种集高功率、宽调谐与共振同步调制于一体的激光架构，为实现临床级、小型化VOCs探测提供了极具潜力的解决方案。依托这一创新的GS Er3+/Dy3+光纤激光架构，系统在相同泵浦功率下，较传统连续波调制实现了高达4倍的光声响应增强（图2d）。凭借极高的能量转换效率与高输出功率，系统对丙烷的检测限突破至416 ppt（图2f），并成功实现了其宽带吸收光谱的高分辨率精细重构（图2h）。此外，系统展现出了卓越的多组分探测通用性，跨越了醛类、醚类及烯烃类等多种关键 VOCs气体的ppb至亚ppb级检测门槛。
图2. GS-PAS系统的丙烷探测性能与光谱表征；a10至100 ppm不同丙烷浓度下的光声信号；b信号线性拟合曲线；c相同输入功率下，连续调制激光与微秒脉冲激光光声信号对比；d相同泵浦功率下，连续调制激光与微秒脉冲光声信号对比；eN2背景；fAllan方差分析；g连续调制与微秒脉冲的背景信号对比；h3200-3550 nm范围内的丙烷光声光谱与HITRAN数据库参考光谱对比。
该工作在光声光谱VOC痕量领域中揭示了微秒脉冲增强型光声光谱（MPEPAS）物理机制，提出了基于增益调制光纤激光器的“无损耗调制”的新思路，不仅将现有光声VOCs传感技术的综合性能提升了一个数量级以上，更以其超高灵敏、宽带调谐与结构紧凑的综合优势，为未来无创临床呼气诊断与工业排气精密监测提供了一种极具转化价值的强力传感工具。
论文信息：https://www.oejournal.org/oes/article/doi/10.29026/oes.2026.260008
