光学青年 | 马欲飞：十载专注光谱传感，打开感知世界新维度
本文为中国激光第3212篇。
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马欲飞，哈尔滨工业大学航天学院教授、博士生导师，从事激光传感和激光技术研究，作为负责人主持国家自然科学基金重点、国家自然科学基金优青、国家载人航天预研、华为公司委托项目等30余项。黑龙江省首批优秀青年基金获得者，哈尔滨工业大学青年拔尖人才，哈尔滨工业大学青年科学家工作室学术带头人，2021年度、2022年度爱思唯尔中国高被引学者，美国光学学会高级会员，入选“2022年度全球前2%顶尖科学家榜单”，“全球顶尖科学家前10万榜单”。担任Photoacoustics、Optics Express、Optical Engineering、Microwave and Optical Technology Letters、Chinese Optics Letters等8个期刊领域主编/副主编/编委，担任Ultrafast Science、光学学报等期刊青年编委、国家自然科学基金会评专家等。以第一作者/通信作者发表1区论文70余篇，其中ESI热点论文18篇、ESI高被引论文24篇 (10年高被引论文1篇)，获军队科技进步二等奖、教育部学术新人奖等多项奖励。
因篮球爱好结缘休斯顿，进入激光光谱传感领域
我目前主要从事激光光谱痕量气体传感技术，研究重点是高灵敏度激光光谱基础及其相关应用。痕量气体指的是体积分数远小于1%的气体，虽然其含量不高，但对多个领域影响巨大，如氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、温室气体臭氧(O3)等，体积分数在ppt-ppm (10-12-10-6)量级之间，其浓度的增加直接导致环境发生改变，而涉及碳排放物等监测的“碳中和碳达峰”已上升为我们的国家战略。此外，近年来，通过呼吸气体的快捷、无损检测来判断人体健康状况及进行疾病的诊断等新兴医疗方式兴起，利用高灵敏度激光光谱进行相关检测也成为人们关注的重点。
进入这一领域完全基于我的主动选择。读博阶段，我申请了国家留学基金委资助的博士生联合培养计划，在寻找外方合作导师的过程中，我陆续拿到了包括英国牛津大学、美国莱斯大学、中佛罗里达大学等大学的邀请信，这几所大学都很不错，但是经过慎重考虑，我选择了美国莱斯大学。这主要是基于两方面的考虑：一是想拓展自己的研究领域、开阔一下视野，我之前的研究方向是固体激光技术，而莱斯大学Frank Tittel教授课题组主要聚焦于光学传感技术；另一个是因为自己喜欢观看篮球比赛的原因，在上大学及读研究生阶段，最大的乐趣之一就是看姚明的比赛，而姚明所在的火箭队就位于美国的休斯顿，选择莱斯大学就可以去主场观看姚明的比赛。然而事与愿违，我刚要到休斯顿，姚明就选择了退役。
美国莱斯大学的Frank Tittel教授是石英增强光声光谱技术的发明人，该技术采用电学中广泛使用的石英晶振作为声波探测元件，具有灵敏度高、体积小、成本低等优势，是目前激光气体传感领域的研究热点之一。2013年在我回国留校之后，基于在莱斯大学的学习研究基础，我便转变了研究方向，开始了激光光谱传感技术的研究。
回归哈工大，克服困难，提出新型光谱传感技术
万事开头难，在这一方向上，学校实验室没有基础和积累，缺少相关仪器设备，还好在自己国内导师的支持下，实验室的建设慢慢起步了，经过近两年的建设，2015年终于可以搭建起一套完整的实验系统。
基于哈工大的航天优势和特色，我承担的第一个项目就是通过测量可燃物质在火灾早期释放的特征痕量气体，实现航天舱内的火灾预警。这个项目周期短、指标高、还需要考虑工程应用因素，因此充满了挑战，直至现在依然清晰的记得带领几个研究生经常奋战到凌晨的场景。
基于3D打印技术制作的石英增强光声光谱传感器模块
在石英增强光声光谱技术中，石英音叉(QTF)需要与待测气体发生接触，因此是一种接触式的测量技术，这就限制了该技术在酸性、腐蚀性气体中的使用，同时，也难以在燃烧场诊断和远距离遥测领域中应用。
针对石英增强光声光谱技术中接触式测量所带来的不足，2018年底，在石英增强光声光谱技术的基础之上，我们课题组联合美国莱斯大学Frank Tittel教授提出了一种新型的光谱技术——光致热弹光谱(Light-induced thermoelastic spectroscopy, LITES)，该技术消除了石英音叉受腐蚀的问题，具有非接触式测量的能力，因此可以用在燃烧场诊断和远距离遥测领域，同时，也非常适用于酸性和腐蚀性气体的测量。相关结果发表在Optics Express期刊上[2018, 26, 32103][1]。到目前为止，在4年多的时间里，该篇论文引用200多次，长期处于ESI高被引状态，我们还将该技术应用在了发动机燃烧场测量当中，实测效果良好，验证了其应用性能。在该技术的提出过程中，与Frank Tittel教授具有密切合作关系的莱斯大学诺贝尔奖获得者Robert Curl教授也给予了大力支持，我们双方合作讨论了多次，Robert Curl教授博学低调，最后只让我们在论文致谢部分对其进行感谢。
身体力行支持国产期刊，相关成果受业界认可
不久，我收到了Chinese Optics Letters的邀稿信，由于Chinese Optics Letters名声在外，创刊已经超过20年了，是中国第一本光学类SCI检索学术期刊，还是带有“Chinese”的“国字号”期刊，因此收到Chinese Optics Letters的邀请信有点兴奋。后来在Chinese Optics Letters发表的这篇论文[2]为2022年度论文下载、引用排名第一，发表一年来SCI引用75次，入选了ESI热点论文和ESI高被引论文，并当选了2022年度COL主编推荐奖。2023年度，我们在Chinese Optics Letters再次发表了一篇论文[3]，到目前为止，这篇论文谷歌学术引用46次。
2022年度 Chinese Optics Letters主编推荐奖颁奖典礼(右一为马欲飞教授)
后来，我担任了《光学学报》SAME专题刊的青年编委。受杂志社的邀请，我们打算投搞一篇论文。刚开始我们计划写一篇综述论文，在论文完成了快一半时，我们团队设计加工的石英音叉取得了突破，性能接近目前国外报道的最好水平，于是我们果断决定将这一关于国产器件研究的结果投稿到最好的国产中文光学期刊《光学学报》上去。投稿后评阅人给出了高度评价，并当选为《光学学报》的封面文章[4]。近年来，国产期刊的水平和影响力得到了巨大提升，相信会有更多的优秀成果发表在国产期刊上。
光学学报封面论文
入行十年，希望国产传感器技术与产品发展壮大
气体传感器的应用领域非常广泛，从太空到深海都有气体测量的应用需求，可以说，不管是在现代科技的哪个领域都与传感器息息相关。但我国在传感器领域，因为起步较晚，各种先进核心技术又受到西方发达国家的垄断，因此我国的传感器技术与发达国家存在差距。
目前全球的传感器市场主要由美国、德国、日本等这几个国家的龙头企业主导，在高性能、高端传感器领域，大部分都要依赖进口，我国的传感器行业一直处于被卡脖子的状态。比如，在我所从事的石英光谱传感领域中所用到的核心元件——高性能石英音叉长期以来都是由国外高校和企业所研发，已有美国公司作为主打产品对其进行推广销售，但国内还缺少相关产品。
我目前从事气体传感研究刚好10年，特别希望相关核心器件、整机系统不再受制于人，能达到国际先进水平，同时，希望气体传感器能在越来越多的领域得到应用，满足各个行业所需。
与优秀者同行，共同为国产期刊的发展发光发热
中国激光杂志社拥有国内最庞大、最齐全的光学期刊群，每本期刊都很优秀、各有特色。中国激光杂志社的英文期刊层次感明显、定位分明。中文期刊同样优秀，《光学学报》与《中国激光》是中文光学期刊的领头羊，难分伯仲。
中国激光杂志社的青年编委是由一群有活力、有能力的青年学者所组成的高水平学术群体。在5年前，我就开始担任Optics Express、Optical Engineering等多个期刊的编委，所以我也一直期待着能有机会服务于国产期刊、能与中国激光杂志社产生交集。经Chinese Optics Letters主编陈峰老师的推荐，我有幸加入了COL的编委群体，成为Topical Editor。后来在《光学学报》副主编华灯鑫老师的推荐下，又有幸加入了《光学学报》SAME专题青编委，这样一步步与中国激光杂志社以及优秀的光学专家产生的交集逐渐增多。与逐光而行、具有相同梦想的青年编委一起同行也是人生一件幸事。
代表性论文：
1. Yufei Ma*, Ying He, Yao Tong, Xin Yu, Frank K. Tittel. Quartz-tuning-fork enhanced photothermal spectroscopy for ultra-high sensitive trace gas detection. Optics Express. 2018, 26(24), 32103-32110. (谷歌学术引用208次, ESI高被引论文)
2. Xiaonan Liu, and Yufei Ma*. Sensitive carbon monoxide detection based on light-induced thermoelastic spectroscopy with a fiber-coupled multipass cell[Invited]. Chinese Optics Letters. 2022, 20(3), 031201. (谷歌学术引用88次, ESI 热点论文, ESI高被引论文，入选Chinese Optics Letters 2022年度主编推荐奖)
3. Yahui Liu and Yufei Ma*. Advances in multipass cell for absorption spectroscopy-based trace gas sensing technology[Invited]. Chinese Optics Letters. 2023, 21(3), 033001. (谷歌学术引用46次, ESI 热点论文, ESI高被引论文)
4. 房超, 乔顺达, 何应, 申作春, 马欲飞*. T字头石英音叉的设计及其气体传感性能. 光学学报, 2023, 43(18), 1899910. (特邀，封面论文)
5. Yufei Ma, Rafal Lewicki*, Manijeh Razeghi and Frank K. Tittel. QEPAS based ppb-level detection of CO and N2O using a high power CW DFB-QCL. Optics Express. 2013, 21(1), 1008-1019. (谷歌学术引用350次, ESI 10年高被引论文)