近日，我院光谱与量子气体检测研究所以“Photoacoustic spectroscopy detection based on complementary interdigital cantilever enhanced Fabry-Perot acoustic sensor（基于互补叉指悬臂增强法布里-珀罗声学传感器的光声光谱检测）”为题在自然科学相关工程与技术领域国际顶级刊物《Photoacoustics》（中科院一区TOP，影响因子6.8）上发表论文。我院教师王巧云副教授为通讯作者，23级硕士生严重越为论文的第一作者，东北大学为第一完成单位。

痕量气体高精度检测在电力设备诊断、工业安全与环境预警中至关重要，乙炔作为变压器故障特征气体，其ppb级检测对早期故障识别意义重大。光声光谱（PAS）技术虽适合痕量检测，但系统灵敏度受声学传感器微弱声压响应能力制约。现有光纤法布里‑珀罗（F‑P）声学传感器虽抗电磁干扰、体积小，可传统悬臂梁结构自由度有限，共振频率与灵敏度难以兼顾，尺寸优化易牺牲紧凑性，不利于系统小型化集成。为此，本研究提出互补叉指（CID）悬臂梁结构，在矩形悬臂梁固定端引入交错不等长叉指狭缝，通过分区设计提升局部柔性，在材料与整体尺寸不变的前提下，实现共振频率与位移灵敏度的独立调控。基于Euler‑Bernoulli梁理论与有限元分析优化，确定最优参数（N=1，S=2），结构性能显著提升。实验显示，该结构在1010 Hz共振频率下声压灵敏度达923.7 nm/Pa，为同尺寸传统矩形梁的1.9倍；1 kHz处信噪比72.2 dB，最小可检测声压16.4 μPa/Hz¹/²，弱声检测能力优异；0~0.5 Pa声压范围内线性度良好（R²=0.99782）。将该F‑P光纤声学传感器集成于光声光谱系统用于乙炔检测，与980 Hz谐振光声腔实现频率匹配与共振增强。在20~100 ppm范围内，系统灵敏度达3.02 pm/ppm；经Allan‑Werle分析，积分时间100 s时最低检测限达 30.17 ppb，验证了其在痕量气体检测中的优异性能。

本研究通过结构创新协同优化声学传感器灵敏度与共振频率，在不提升系统复杂度的情况下显著增强PAS检测性能，为小型化、高灵敏度、频率可调谐光纤声学传感系统提供了新思路，也为高性能痕量气体检测技术发展奠定了基础。

图1.互补叉指悬臂梁光纤声波传感器的灵敏度与频率特性仿真。(a) 共振频率随狭缝间距d和组间距D的变化。(b) 灵敏度随狭缝间距d和组间距D的变化；(c) CID结构的尺寸；(d) CID悬臂、矩形悬臂和T型悬臂频率响应的仿真对比。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pacs.2025.100768