Недавно исследовательская группа профессора Ма Юйфэя из Института астронавтики Харбинского политехнического университета осуществила высокоточное газовое детектирование на основе фототермоупругой спектроскопии (Light-InducedThermoelasticSpectroscopy, LITES) с использованием многопроходной ячейки с ультраплотным распределением световых пятен. Результаты исследования опубликованы в журнале PhotoniX под заголовком «Anultra-highlysensitiveLITESsensorbasedonmulti-passcellwithultra-densespotpatterndesignedbymulti-objectivealgorithm» («Сверхчувствительный LITES-сенсор на основе многопроходной ячейки с ультраплотным рисунком световых пятен, спроектированный с помощью многокритериального алгоритма»).
Технология фототермоупругой спектроскопии обладает такими ключевыми преимуществами, как высокая чувствительность обнаружения, быстрый отклик и отличная селективность, что открывает широкие перспективы для её применения в экологическом мониторинге, диагностике заболеваний и других областях. Хотя многопроходные ячейки с плотным распределением световых пятен характеризуются простой конструкцией, высокой стабильностью и большим числом отражений, их проектирование сопряжено с задачей многопараметрической оптимизации. Традиционный метод сеточного поиска при решении подобных задач отличается высокой временной затратностью и значительными издержками проектирования.
В ответ на данный вызов исследовательская группа впервые предложила решение, основанное на интеграции параллельного алгоритма недоминированной сортировки второго поколения (ParallelNon-dominatedSortingGeneticAlgorithm-II, PNSGA-II) с математической моделью многопроходной ячейки с плотным распределением световых пятен. Такой подход позволил разработать высокопроизводительную многопроходную ячейку, сочетающую увеличенную длину оптического пути и высокое отношение длины пути к объёму. В ходе исследования была построена математическая модель на основе векторной формы закона отражения света, описывающая параметры длины оптического пути, отношения пути к объёму и распределения световых пятен.
С учётом целевых функций – максимизации длины оптического пути и отношения длины пути к объёму – исследователи задали обоснованные ограничения параметров и условия итерации, применив алгоритм PNSGA-II для оптимизации параметров многопроходной ячейки. В результате было получено пять вариантов многопроходных ячеек с различными рисунками световых пятен, адаптированных к разным сценариям применения (см. рисунок).
Разработанные с помощью алгоритма PNSGA-II (сравнение моделирования и эксперимента) пять типов многопроходных ячеек с ультраплотным распределением световых пятен
Результаты испытаний показали, что отношение длины пути к объёму у всех пяти типов ячеек превышает 20 см⁻², при этом у модели с пятнадцатью концентрическими кольцами длина оптического пути достигла более 80 м. По сравнению с коммерческими многопроходными ячейками типа Herriott, новая конструкция обеспечивает увеличение длины оптического пути примерно в восемь раз и повышение отношения длины пути к объёму примерно в пятнадцать раз.
В то же время, учитывая такие недостатки применяемых в системах LITES коммерческих кварцевых звуковых вилок (QTF), как повышенная резонансная частота и слабый отклик сигнала, исследовательская группа разработала низкочастотную кварцевую вилку с круглой головкой.
Сравнение коммерческой кварцевой звуковой вилки и разработанной конструкции с круглой головкой: a. фотографии коммерческой вилки (QTF1) и вилки с круглой головкой (QTF2); b. график резонансных частот коммерческой и собственной вилок; c. кривая проводимости коммерческой вилки; d. кривая проводимости вилки с круглой головкой.
Оптимизация формы круглой головки позволила эффективно повысить коэффициент генерации заряда и усилить амплитуду выходного сигнала.
Измерение чувствительности C2H2-LITES-сенсора на основе коммерческой кварцевой вилки (QTF1) и вилки с круглой головкой (QTF2): a. пиковые значения 2f-сигнала при различных концентрациях C2H2 (QTF1); b. линейная зависимость сигнала от концентрации (QTF1); c. пиковые значения 2f-сигнала при различных концентрациях C2H2 (QTF2); d. линейная зависимость сигнала от концентрации (QTF2).
Экспериментальные результаты показали, что по сравнению с традиционными коммерческими звуковыми вилками, спроектированная низкочастотная вилка с круглой головкой обеспечивает увеличение амплитуды сигнала системы LITES примерно в четыре раза и повышение отношения сигнал/шум примерно в три раза.
Харбинский политехнический университет является единственным учреждением-корреспондентом данной научной статьи. Профессор Ма Юйфэй выступил в качестве первого автора и автора для корреспонденции. Магистрант Сунь Сяожун из исследовательской группы является вторым автором. Члены исследовательской группы, включая докторанта Сунь Хайюэ, доцента Хэ Ин и научного сотрудника Цяо Шуньда, внесли значительный вклад в публикацию данной работы. Исследование было поддержано Ключевым проектом Национального фонда естественных наук Китая и проектом Программы молодых учёных ХПУ.
Ссылка на статью:
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-025-00187-2