基于新型空芯光纖的石英光致熱彈光譜氣體傳感技術(shù)

01導(dǎo)讀

痕量氣體指的是體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)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(jìn)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(qiáng)、可在線測量等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)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(yuǎn)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(jìn)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(qiáng)、可在線測量等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(qiáng)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(jī)制，并在理論及實(shí)驗(yàn)研究上得到了全面地證實(shí)。

在LITES技術(shù)中，氣體吸收信號的強(qiáng)弱與吸收程長度成正比，因而為了提高激光吸收進(jìn)而得到較強(qiáng)的光譜信號，通常需要設(shè)計(jì)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(jìn)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(xì)長狹窄的纖芯空氣孔可以將高達(dá)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(jì)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(xì)管包圍，其壁厚度為0.63 μm，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了驗(yàn)證（傳感系統(tǒng)示意圖如圖1所示）。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，用純氮?dú)庀♂対舛葹?%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(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器的性能，系統(tǒng)還對CO氣體進(jìn)行了檢測，達(dá)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(qiáng)度更強(qiáng)的氣體吸收線來進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(qiáng)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(jī)制，并在理論及實(shí)驗(yàn)研究上得到了全面地證實(shí)。
在LITES技術(shù)中，氣體吸收信號的強(qiáng)弱與吸收程長度成正比，因而為了提高激光吸收進(jìn)而得到較強(qiáng)的光譜信號，通常需要設(shè)計(jì)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(jìn)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(xì)長狹窄的纖芯空氣孔可以將高達(dá)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(jì)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(xì)管包圍，其壁厚度為0.63μm，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了驗(yàn)證(傳感系統(tǒng)示意圖如圖1所示)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，用純氮?dú)庀♂対舛葹?%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(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器的性能，系統(tǒng)還對CO氣體進(jìn)行了檢測，達(dá)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(qiáng)度更強(qiáng)的氣體吸收線來進(jìn)一步改善。審核編輯：郭婷