多功能铌酸锂芯片平台：光声/热弹性光谱与光电探测的集成创新

《Nature Communications》：Multifunctional lithium niobate platform for photodetection and photoacoustic and thermoelastic gas sensing

本研究针对传统气体检测系统体积庞大、功能单一的问题，开发了多功能铌酸锂平台（LN-MFP），成功将光声光谱（PAS）、光致热弹性光谱（LITES）和光电探测集成于单一芯片。实验实现了对NO2、H2O、C2H2、CO2、CH4和NH3的十亿分之一级别检测，并通过与4.6 μm量子级联激光器（QCL）共封装实现CO二次谐波测量。该突破为环境监测、床旁诊断提供了微型化解决方案。

　　

随着环境污染监测和医疗诊断需求的日益增长，高精度气体检测技术面临重大挑战。传统光谱检测设备虽然精度较高，但存在体积庞大、成本高昂、功能单一等局限性，难以满足现场快速检测的需求。特别是在大气污染物监测、工业过程控制和呼气诊断等领域，迫切需要兼具高灵敏度、微型化及多功能集成的新型传感技术。

为突破这些技术瓶颈，研究人员利用铁电材料铌酸锂（Lithium Niobate, LN）固有的多物理场耦合特性，开发出多功能铌酸锂平台（LN-MFP）。该创新平台首次将光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy, PAS）、光致热弹性光谱（Light-Induced Thermoelastic Spectroscopy, LITES）和光电探测三大功能集成于单一芯片，实现了从可见光到中红外（4.6 μm）的宽谱段操作。研究成果发表于《Nature Communications》，为新一代片上光谱分析系统奠定了技术基础。

关键技术方法包括：基于铌酸锂的铁电衬底微纳加工制备多功能传感芯片；采用量子级联激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）作为激发光源；设计定制化封装方案将传感芯片与激光器集成于印刷电路板（PCB）；结合跨阻放大电路实现信号处理；通过二次谐波检测技术提升一氧化碳测量精度。

宽谱段多气体检测性能

通过系统实验验证，LN-MFP成功实现了对多种痕量气体的高灵敏度检测。研究人员分别对氮氧化物（NO₂）、水蒸气（H₂O）、乙炔（C₂H₂）、二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氨气（NH₃）进行了定量分析，检测灵敏度均达到十亿分之一（parts-per-billion, ppb）级别。这一结果表明该平台具备优异的多组分同步检测能力。

系统级集成与一氧化碳检测

研究团队创新性地提出了共封装解决方案，将LN-MFP芯片与4.6 μm波段QCL激光器芯片共同集成于PCB板。该模块化设计显著降低了系统复杂度，同时保持了检测性能。利用该集成模块，研究人员通过二次谐波测量技术实现了对一氧化碳（CO）的高精度检测，验证了系统在实际应用中的可靠性。

多功能协同工作机制

LN-MFP的核心优势在于其独特的多物理场协同工作机制。光声效应（Photoacoustic Effect）通过气体分子吸收光能产生声波信号，热弹性效应（Thermoelastic Effect）则通过热膨胀产生机械振动，而铌酸锂的光电特性同时支持光学信号的直接探测。三种机制在同一芯片上的协同工作，大幅提升了检测效率和信噪比。

研究结论表明，LN-MFP平台通过多功能集成和微型化设计，成功解决了传统光谱检测系统体积庞大、功能单一的关键问题。该技术不仅显著降低了系统复杂度和成本，而且与快速发展的铌酸锂集成光子生态系统完全兼容。这项突破为环境监测、床旁诊断（Point-of-Care Diagnostics）和现场化学分析提供了核心技术支撑，标志着全铌酸锂光谱芯片向实用化迈出了重要一步。未来，该技术有望在大气污染监测、工业安全预警和医疗诊断等领域发挥重要作用。