用于光电探测、光声和热弹性气体传感的多功能钽酸锂平台

为可呼吸的世界打造更小的传感器

从城市烟雾到工业泄漏，影响我们的健康和气候的许多气体都存在于普通仪器难以检测的极低浓度中。如今最灵敏的气体分析仪通常体积庞大、耗电且放在实验台上，远离车间或路边。本文介绍了一种新型微小芯片，由一种名为钽酸锂的晶体制成，能够同时“倾听”、感知并直接检测来自痕量气体的光，为实时监测我们呼吸空气的口袋级仪器铺平道路。

一块晶体，多种传感手段

工作的核心是一片叉形的钽酸锂薄片，这种材料在先进光学中已很常见。该晶体特殊之处在于它能强烈耦合电、热、机械运动和光：当它被加热或弯曲时会产生电荷；当光被吸收时，微小的膨胀会在其中传播。研究人员在这块单晶上设计了一个“多功能平台”，使其能执行三种不同的传感任务：检测气体中的压力波（光声传感）、感知由光吸收引起的微小温度变化（热弹性传感）以及直接作为光电探测器。不同于通常只执行单一功能的石英器件，这种钽酸锂结构经过精心成形和接线，以同时利用这些效应。

倾听低声的气体信号

为了将气体转化为可读信号，团队首先将芯片用作一种微观音叉。当气体吸收调制光时，它会周期性地加热和冷却，产生压力波——本质上是一种极其微弱的声音。将光束放在晶体叉齿之间的缝隙中，就能让气体直接“对音叉发声”。由于音叉在其共振频率处振幅最大，这些微弱的波被大幅放大并转换为电信号。研究人员使用从蓝光到长波红外的光源测量了包括二氧化氮、水蒸气、乙炔、二氧化碳、甲烷和氨在内的重要气体。探测限达到十亿分之一量级，并在长时间平均下保持稳定，表明这款小型器件在灵敏度上可与大型实验室设备相媲美。

感受热而非声

同一芯片还可以在不直接暴露于气体环境中的情况下进行检测，这在恶劣或封闭的环境中尤为有用。在这种“光诱导热弹性”模式下，气体先吸收经调制的激光束，然后在到达晶体表面前被加热。被加热的气体又将热量传递到晶体表面的一处，使其随光的调制周期膨胀和收缩。得益于晶体的内建电极化和调谐的音叉几何结构，这些微小的弯曲会产生可测量的电压。使用这种接触式方法，团队同样在可见到红外波段对相同气体进行了探测。尽管光程非常短——只有几厘米——他们仍然取得了实用的检测限和良好的线性，并且展示出相同硬件可根据应用在基于声和基于热的传感间切换。

将光直接转为电信号

除了声与热之外，钽酸锂音叉还可作为宽带光电探测器工作。当光在晶体中被吸收时，会产生微小的热和电变化，设备将其转换为输出电压，尤其是在共振驱动时。研究人员系统测量了其从450纳米（蓝光）到近10微米（远红外）的响应。他们发现该探测器在长波红外区域尤其敏感，该区域许多气体具有明显的分子“指纹”特征。在约9.7微米处，芯片的响应度优于若干商业中红外探测器，而无需制冷即可在室温下工作，突显出其作为紧凑替代品在高要求应用中的潜力。

把实验室带到电路板上

为了证明这片晶体音叉不仅是实验室玩物，团队将其与一台中红外量子级联激光器和读出电子学共同封装在一块仅数厘米大小的印刷电路板上。激光器距离叉齿间隙只有很短的距离，因此其光束可以直接穿过流经模块的气体并进入探测区域。即使没有透镜或笨重光学元件，组合模块也用标准气流装置成功测量了有用浓度下的一氧化碳。该演示表明未来可以将光源、波导和多功能探测器全部用钽酸锂在单一工厂制造的器件中集成。

走向口袋大小的光谱仪

通俗地说，这项研究表明一块特殊形状的晶体可以同时像听诊器、温度计和光学相机一样，检测光与气体。通过在一片钽酸锂芯片上整合三种传感方法，并证明其在多种重要气体和宽波段光谱下均可工作，这项工作把重点从追求渐进式灵敏度提升转向创建一种全能的一体化传感平台。随着片上激光器和波导的进一步集成，这种方法可能把今天占据整个房间的光谱仪缩小成坚固、低成本的模块，小到可用于手持环境监测仪、床边诊断工具和现场化学分析仪。}

引用: Lin, H., Zheng, H., Zhu, W. et al. Multifunctional lithium niobate platform for photodetection and photoacoustic and thermoelastic gas sensing. Nat Commun 17, 2296 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69042-7

关键词: 气体传感, 钽酸锂, 光声, 光谱学, 集成光子学