科学岛团队提出DPA‑SRS新方法 实现氢气亚ppm级探测

　　近日，中国科学院合肥物质院安光所方勇华研究员团队提出差分光声受激拉曼(DPA-SRS)方法，将光声光谱的高灵敏度与拉曼光谱的指纹识别能力融合，在常压背景下实现了氢气(H₂)的亚ppm探测，为在复杂的工业背景下实现氢气的超灵敏、实时指纹识别提供了新思路。相关研究成果以“Differential photoacoustic-stimulated Raman spectroscopy (DPA-SRS) for high-sensitivity hydrogen detection”为题发表于仪器仪表类一区Top期刊Photoacoustics。
 

　　H2作为未来的终极清洁能源，其安全性监测至关重要。然而，这种“红外非活性”分子由于缺乏偶极矩，无法产生有效的红外吸收，导致传统的吸收光谱技术在原理上难以实现对其的高灵敏度探测。
 

　　传统光声光谱技术基于吸收光谱原理无法直接对氢气实现高灵敏度探测。拉曼光谱技术虽然具有独特的气体指纹识别能力，天然适用于H₂等同核双原子分子。然而，自发拉曼散射的效率极低(散射截面通常比瑞利散射低3-6个数量级)，导致信号极其微弱，极大地限制了其在痕量气体检测中的应用潜力。
 

　　针对上述问题，团队提出了一种深度融合受激拉曼物理过程与热声转化机制的DPA-SRS探测方法。该方法巧妙利用受激拉曼(SRS)过程将部分泵浦光转换为对应于H₂拉曼频移的强斯托克斯光，构建起与H₂分子能级精准匹配的双色激励源(532 nm & 683 nm)，这两束天然严格共线的光束进入光声池后，诱导H₂分子发生受激拉曼跃迁；随后，处于振动激发态的分子通过无辐射碰撞(V-T)弛豫，瞬间将能量转化为宏观的局部热能并激发声波。这一物理过程将极微弱的非弹性散射效应，转化为了高增益、可宏观测量的声学信号，成功赋予了光声光谱(PAS)对H2的指纹识别能力。
 

　　此外，团队系统分析了拉曼频移的非线性光学转换机制与声腔共振特性，并构建了紧凑的痕量H₂检测系统。为了获得最强的光声激发信号，团队系统研究了拉曼池内气体压力对能量转换的影响。 实验表明，通过将拉曼池压强优化至13 atm，有效实现了斯托克斯光转换率与四波混频效应的协同增强。结合自主设计的差分式H型共振光声池以及微弱信号处理算法，在常压背景下实现了低至1 ppm H₂光声信号的有效提取以及0.65 ppm的最低检测限(3σ)，该研究不仅突破了传统PAS技术红外选律的应用瓶颈，也为复杂环境下痕量非极性气体的检测提供了技术路径。
 

　　博士生于欣为第一作者，李振钢博士后为通讯作者。本研究工作获得了安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。