01導(dǎo)讀

痕量氣體指的是體積分?jǐn)?shù)遠小于1%的氣體，雖然其含量不高，但對多個領(lǐng)域影響巨大，如氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、溫室氣體臭氧(O3)等，體積分?jǐn)?shù)在ppt-ppm(10-12-10-6)量級之間，其濃度的增加直接導(dǎo)致環(huán)境發(fā)生改變。同時，近年來，通過呼吸氣體的快捷、無損檢測來判斷人體健康狀況及進行疾病診斷等新興醫(yī)療方式日益引起人們的關(guān)注?；诤哿繗怏w測量的巨大應(yīng)用需求，氣體傳感技術(shù)一直備受關(guān)注。激光痕量氣體傳感技術(shù)具有響應(yīng)速度快、氣體選擇性強、可在線測量等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于排放物監(jiān)測、大氣化學(xué)、生命醫(yī)學(xué)、星際探測等領(lǐng)域。本文提出一種基于新型空芯光纖的石英光致熱彈光譜氣體傳感技術(shù)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)魯棒性強的高靈敏度痕量氣體檢測。研究成果以“Hollow-core anti-resonant fiber based light-induced thermoelastic spectroscopy for gas sensing”為題在Optics Express上發(fā)表，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬欲飛教授為論文的第一作者/通訊作者。

01 導(dǎo)讀

痕量氣體指的是體積分?jǐn)?shù)遠小于1%的氣體，雖然其含量不高，但對多個領(lǐng)域影響巨大，如氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、溫室氣體臭氧（O3）等，體積分?jǐn)?shù)在ppt-ppm（10-12-10-6）量級之間，其濃度的增加直接導(dǎo)致環(huán)境發(fā)生改變。同時，近年來，通過呼吸氣體的快捷、無損檢測來判斷人體健康狀況及進行疾病診斷等新興醫(yī)療方式日益引起人們的關(guān)注。基于痕量氣體測量的巨大應(yīng)用需求，氣體傳感技術(shù)一直備受關(guān)注。激光痕量氣體傳感技術(shù)具有響應(yīng)速度快、氣體選擇性強、可在線測量等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于排放物監(jiān)測、大氣化學(xué)、生命醫(yī)學(xué)、星際探測等領(lǐng)域。本文提出一種基于新型空芯光纖的石英光致熱彈光譜氣體傳感技術(shù)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)魯棒性強的高靈敏度痕量氣體檢測。研究成果以“Hollow-core anti-resonant fiber based light-induced thermoelastic spectroscopy for gas sensing”為題在Optics Express上發(fā)表，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬欲飛教授為論文的第一作者/通訊作者。

基于新型空芯光纖的光致熱彈光譜傳感系統(tǒng)示意圖

02 研究背景

2008年，德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)的U. Willer課題組提出了一種基于電磁輻射-光泳力原理的石英音叉探測光譜技術(shù)。他們研究指出，入射在壓電石英音叉上的電磁輻射存在光子動量的傳遞，即可以產(chǎn)生力的作用（光泳力）。同年，美國橡樹嶺國家實驗室的C. W. Van Neste等人的研究指出，此物理過程可解釋為光壓作用原理，即激光入射到石英音叉上產(chǎn)生壓力迫使音叉發(fā)生機械形變。然而眾多的物理過解釋未能得到系統(tǒng)的論證和統(tǒng)一。哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬欲飛課題組針對石英增強光聲光譜傳感技術(shù)開展了多年的研究工作，基于此，2018年由馬欲飛教授課題組首次提出石英光致熱彈光譜技術(shù)（Light-induced thermoelastic spectroscopy，簡稱為LITES），即激光入射于石英音叉這一物理過程被解釋為光致熱彈作用機制，并在理論及實驗研究上得到了全面地證實。

在LITES技術(shù)中，氣體吸收信號的強弱與吸收程長度成正比，因而為了提高激光吸收進而得到較強的光譜信號，通常需要設(shè)計使用多光程池。但為了得到較長的光程，多光程池的尺寸較大，并相應(yīng)地在其中加入多個光學(xué)元件來進行激光束的傳輸和準(zhǔn)直，而這相應(yīng)地會造成傳感系統(tǒng)體積龐大、穩(wěn)定性差等問題。而空芯光纖作為一種具有空氣孔結(jié)構(gòu)的功能光纖，可以為光場和氣體的相互作用創(chuàng)造可能，從而有效地解決了采用傳統(tǒng)多光程池帶來的體積龐大與系統(tǒng)不穩(wěn)定，且其中細長狹窄的纖芯空氣孔可以將高達99%的光功率限制其中，由此可以顯著地增加光-氣作用效果。

03 創(chuàng)新研究

3.1新型空芯光纖

本文采用的是暨南大學(xué)汪瑩瑩教授課題組設(shè)計拉制的新型空芯光纖——反諧振空芯光纖（Hollow anti-resonant fiber，HC-ARF），該光纖的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其外徑為220 μm，中間空氣孔內(nèi)徑為57 μm，周圍被七個環(huán)狀二氧化硅毛細管包圍，其壁厚度為0.63 μm，該結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效抑制芯模和其他包層模之間的模干擾，并確保其在第一個反共振帶中工作。根據(jù)測量得到的透射譜顯示，其工作波段范圍覆蓋從1.45 μm到至少2.4 μm（受光譜分析儀限制）。這涵蓋了本實驗研究中使用的所有波長。

圖2新型光纖結(jié)構(gòu)示意圖與透射譜

3.2氣體檢測性能

基于此新型空芯光纖，系統(tǒng)采用光纖耦合輸出的連續(xù)波分布反饋（CW-DFB）半導(dǎo)體激光源，對LITES傳感系統(tǒng)性能進行了驗證（傳感系統(tǒng)示意圖如圖1所示）。實驗中選用C2H2氣體，采用75 cm長的空芯光纖，得到的最小探測極限（MDL）為4.75 ppm。另外，在實驗中，用純氮氣稀釋濃度為1%的C2H2氣體，以產(chǎn)生不同濃度的氣體混合物，在不同氣體濃度的測試下，該傳感器具有良好的濃度線性響應(yīng) （R-square=0.99），相關(guān)測試結(jié)果如圖3所示。

圖3不同濃度下C2H2-LITES傳感器系統(tǒng)的2f信號以及線性擬合結(jié)果

同時，為了進一步驗證該傳感器的性能，系統(tǒng)還對CO氣體進行了檢測，達到了1704 ppm的最小探測極限，系統(tǒng)同樣具有良好的濃度線性響應(yīng)（R-square=0.99），相關(guān)測試結(jié)果如圖4所示。

圖4不同濃度CO-LITES傳感器系統(tǒng)的2f信號以及線性擬合結(jié)果

04 應(yīng)用與展望

本文提出了基于新型空芯光纖的石英光致熱彈光譜技術(shù)，其使用定制的空芯光纖（長75 cm）作氣體吸收池，待測的氣體樣品在光纖的中心區(qū)域與光發(fā)生了完美的相互作用。與傳統(tǒng)的長光程池相比，空芯光纖具有較低的光傳輸損耗，有利于減小傳感器尺寸和簡化光學(xué)系統(tǒng)。而通過實驗驗證，該傳感器對目標(biāo)氣體濃度都具有良好的線性響應(yīng)與探測靈敏度。這種基于新型光纖的LITES傳感系統(tǒng)探測極限還可以通過使用長度更長的光纖或選擇強度更強的氣體吸收線來進一步改善。

審核編輯：郭婷

基于新型空芯光纖的光致熱彈光譜傳感系統(tǒng)示意圖

02研究背景
2008年，德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)的U.Willer課題組提出了一種基于電磁輻射-光泳力原理的石英音叉探測光譜技術(shù)。他們研究指出，入射在壓電石英音叉上的電磁輻射存在光子動量的傳遞，即可以產(chǎn)生力的作用（光泳力）。同年，美國橡樹嶺國家實驗室的C.W. Van Neste等人的研究指出，此物理過程可解釋為光壓作用原理，即激光入射到石英音叉上產(chǎn)生壓力迫使音叉發(fā)生機械形變。然而眾多的物理過解釋未能得到系統(tǒng)的論證和統(tǒng)一。哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬欲飛課題組針對石英增強光聲光譜傳感技術(shù)開展了多年的研究工作，基于此，2018年由馬欲飛教授課題組首次提出石英光致熱彈光譜技術(shù)（Light-induced thermoelastic spectroscopy，簡稱為LITES），即激光入射于石英音叉這一物理過程被解釋為光致熱彈作用機制，并在理論及實驗研究上得到了全面地證實。
在LITES技術(shù)中，氣體吸收信號的強弱與吸收程長度成正比，因而為了提高激光吸收進而得到較強的光譜信號，通常需要設(shè)計使用多光程池。但為了得到較長的光程，多光程池的尺寸較大，并相應(yīng)地在其中加入多個光學(xué)元件來進行激光束的傳輸和準(zhǔn)直，而這相應(yīng)地會造成傳感系統(tǒng)體積龐大、穩(wěn)定性差等問題。而空芯光纖作為一種具有空氣孔結(jié)構(gòu)的功能光纖，可以為光場和氣體的相互作用創(chuàng)造可能，從而有效地解決了采用傳統(tǒng)多光程池帶來的體積龐大與系統(tǒng)不穩(wěn)定，且其中細長狹窄的纖芯空氣孔可以將高達99%的光功率限制其中，由此可以顯著地增加光-氣作用效果。
03創(chuàng)新研究
3.1新型空芯光纖本文采用的是暨南大學(xué)汪瑩瑩教授課題組設(shè)計拉制的新型空芯光纖——反諧振空芯光纖（Hollow anti-resonant fiber，HC-ARF），該光纖的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其外徑為220μm，中間空氣孔內(nèi)徑為57μm，周圍被七個環(huán)狀二氧化硅毛細管包圍，其壁厚度為0.63μm，該結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效抑制芯模和其他包層模之間的模干擾，并確保其在第一個反共振帶中工作。根據(jù)測量得到的透射譜顯示，其工作波段范圍覆蓋從1.45μm到至少2.4μm（受光譜分析儀限制）。這涵蓋了本實驗研究中使用的所有波長。

圖2新型光纖結(jié)構(gòu)示意圖與透射譜
3.2氣體檢測性能
基于此新型空芯光纖，系統(tǒng)采用光纖耦合輸出的連續(xù)波分布反饋(CW-DFB)半導(dǎo)體激光源，對LITES傳感系統(tǒng)性能進行了驗證(傳感系統(tǒng)示意圖如圖1所示)。實驗中選用C2H2氣體，采用75 cm長的空芯光纖，得到的最小探測極限(MDL)為4.75 ppm。另外，在實驗中，用純氮氣稀釋濃度為1%的C2H2氣體，以產(chǎn)生不同濃度的氣體混合物，在不同氣體濃度的測試下，該傳感器具有良好的濃度線性響應(yīng) (R-square=0.99)，相關(guān)測試結(jié)果如圖3所示。

圖3不同濃度下C2H2-LITES傳感器系統(tǒng)的2f信號以及線性擬合結(jié)果

同時，為了進一步驗證該傳感器的性能，系統(tǒng)還對CO氣體進行了檢測，達到了1704 ppm的最小探測極限，系統(tǒng)同樣具有良好的濃度線性響應(yīng)(R-square=0.99)，相關(guān)測試結(jié)果如圖4所示。

圖4不同濃度CO-LITES傳感器系統(tǒng)的2f信號以及線性擬合結(jié)果

04應(yīng)用與展望本文提出了基于新型空芯光纖的石英光致熱彈光譜技術(shù)，其使用定制的空芯光纖（長75 cm）作氣體吸收池，待測的氣體樣品在光纖的中心區(qū)域與光發(fā)生了完美的相互作用。與傳統(tǒng)的長光程池相比，空芯光纖具有較低的光傳輸損耗，有利于減小傳感器尺寸和簡化光學(xué)系統(tǒng)。而通過實驗驗證，該傳感器對目標(biāo)氣體濃度都具有良好的線性響應(yīng)與探測靈敏度。這種基于新型光纖的LITES傳感系統(tǒng)探測極限還可以通過使用長度更長的光纖或選擇強度更強的氣體吸收線來進一步改善。審核編輯：郭婷