基于新型空芯光纤的石英光致热弹光谱气体传感技术

01导读

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。同时，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诊断等新兴医疗方式日益引起人们的关注。基于痕量气体测量的巨大应用需求，气体传感技术一直备受关注。激光痕量气体传感技术具有响应速度快、气体选择性强、可在线测量等优点，广泛应用于排放物监测、大气化学、生命医学、星际探测等领域。本文提出一种基于新型空芯光纤的石英光致热弹光谱气体传感技术，实现了结构紧凑、系统鲁棒性强的高灵敏度痕量气体检测。研究成果以“Hollow-core anti-resonant fiber based light-induced thermoelastic spectroscopy for gas sensing”为题在Optics Express上发表，哈尔滨工业大学马欲飞教授为论文的第一作者/通讯作者。

01 导读

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。同时，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诊断等新兴医疗方式日益引起人们的关注。基于痕量气体测量的巨大应用需求，气体传感技术一直备受关注。激光痕量气体传感技术具有响应速度快、气体选择性强、可在线测量等优点，广泛应用于排放物监测、大气化学、生命医学、星际探测等领域。本文提出一种基于新型空芯光纤的石英光致热弹光谱气体传感技术，实现了结构紧凑、系统鲁棒性强的高灵敏度痕量气体检测。研究成果以“Hollow-core anti-resonant fiber based light-induced thermoelastic spectroscopy for gas sensing”为题在Optics Express上发表，哈尔滨工业大学马欲飞教授为论文的第一作者/通讯作者。

基于新型空芯光纤的光致热弹光谱传感系统示意图

02 研究背景

2008年，德国克劳斯塔尔工业大学的U. Willer课题组提出了一种基于电磁辐射-光泳力原理的石英音叉探测光谱技术。他们研究指出，入射在压电石英音叉上的电磁辐射存在光子动量的传递，即可以产生力的作用（光泳力）。同年，美国橡树岭国家实验室的C. W. Van Neste等人的研究指出，此物理过程可解释为光压作用原理，即激光入射到石英音叉上产生压力迫使音叉发生机械形变。然而众多的物理过解释未能得到系统的论证和统一。哈尔滨工业大学马欲飞课题组针对石英增强光声光谱传感技术开展了多年的研究工作，基于此，2018年由马欲飞教授课题组首次提出石英光致热弹光谱技术（Light-induced thermoelastic spectroscopy，简称为LITES），即激光入射于石英音叉这一物理过程被解释为光致热弹作用机制，并在理论及实验研究上得到了全面地证实。

在LITES技术中，气体吸收信号的强弱与吸收程长度成正比，因而为了提高激光吸收进而得到较强的光谱信号，通常需要设计使用多光程池。但为了得到较长的光程，多光程池的尺寸较大，并相应地在其中加入多个光学元件来进行激光束的传输和准直，而这相应地会造成传感系统体积庞大、稳定性差等问题。而空芯光纤作为一种具有空气孔结构的功能光纤，可以为光场和气体的相互作用创造可能，从而有效地解决了采用传统多光程池带来的体积庞大与系统不稳定，且其中细长狭窄的纤芯空气孔可以将高达99%的光功率限制其中，由此可以显著地增加光-气作用效果。

03 创新研究

3.1新型空芯光纤

本文采用的是暨南大学汪莹莹教授课题组设计拉制的新型空芯光纤——反谐振空芯光纤（Hollow anti-resonant fiber，HC-ARF），该光纤的结构示意图如图2所示，其外径为220 μm，中间空气孔内径为57 μm，周围被七个环状二氧化硅毛细管包围，其壁厚度为0.63 μm，该结构设计可以有效抑制芯模和其他包层模之间的模干扰，并确保其在第一个反共振带中工作。根据测量得到的透射谱显示，其工作波段范围覆盖从1.45 μm到至少2.4 μm（受光谱分析仪限制）。这涵盖了本实验研究中使用的所有波长。

图2新型光纤结构示意图与透射谱

3.2气体检测性能

基于此新型空芯光纤，系统采用光纤耦合输出的连续波分布反馈（CW-DFB）半导体激光源，对LITES传感系统性能进行了验证（传感系统示意图如图1所示）。实验中选用C2H2气体，采用75 cm长的空芯光纤，得到的最小探测极限（MDL）为4.75 ppm。另外，在实验中，用纯氮气稀释浓度为1%的C2H2气体，以产生不同浓度的气体混合物，在不同气体浓度的测试下，该传感器具有良好的浓度线性响应 （R-square=0.99），相关测试结果如图3所示。

图3不同浓度下C2H2-LITES传感器系统的2f信号以及线性拟合结果

同时，为了进一步验证该传感器的性能，系统还对CO气体进行了检测，达到了1704 ppm的最小探测极限，系统同样具有良好的浓度线性响应（R-square=0.99），相关测试结果如图4所示。

图4不同浓度CO-LITES传感器系统的2f信号以及线性拟合结果

04 应用与展望

本文提出了基于新型空芯光纤的石英光致热弹光谱技术，其使用定制的空芯光纤（长75 cm）作气体吸收池，待测的气体样品在光纤的中心区域与光发生了完美的相互作用。与传统的长光程池相比，空芯光纤具有较低的光传输损耗，有利于减小传感器尺寸和简化光学系统。而通过实验验证，该传感器对目标气体浓度都具有良好的线性响应与探测灵敏度。这种基于新型光纤的LITES传感系统探测极限还可以通过使用长度更长的光纤或选择强度更强的气体吸收线来进一步改善。

审核编辑：郭婷

基于新型空芯光纤的光致热弹光谱传感系统示意图

02研究背景
2008年，德国克劳斯塔尔工业大学的U.Willer课题组提出了一种基于电磁辐射-光泳力原理的石英音叉探测光谱技术。他们研究指出，入射在压电石英音叉上的电磁辐射存在光子动量的传递，即可以产生力的作用（光泳力）。同年，美国橡树岭国家实验室的C.W. Van Neste等人的研究指出，此物理过程可解释为光压作用原理，即激光入射到石英音叉上产生压力迫使音叉发生机械形变。然而众多的物理过解释未能得到系统的论证和统一。哈尔滨工业大学马欲飞课题组针对石英增强光声光谱传感技术开展了多年的研究工作，基于此，2018年由马欲飞教授课题组首次提出石英光致热弹光谱技术（Light-induced thermoelastic spectroscopy，简称为LITES），即激光入射于石英音叉这一物理过程被解释为光致热弹作用机制，并在理论及实验研究上得到了全面地证实。
在LITES技术中，气体吸收信号的强弱与吸收程长度成正比，因而为了提高激光吸收进而得到较强的光谱信号，通常需要设计使用多光程池。但为了得到较长的光程，多光程池的尺寸较大，并相应地在其中加入多个光学元件来进行激光束的传输和准直，而这相应地会造成传感系统体积庞大、稳定性差等问题。而空芯光纤作为一种具有空气孔结构的功能光纤，可以为光场和气体的相互作用创造可能，从而有效地解决了采用传统多光程池带来的体积庞大与系统不稳定，且其中细长狭窄的纤芯空气孔可以将高达99%的光功率限制其中，由此可以显著地增加光-气作用效果。
03创新研究
3.1新型空芯光纤本文采用的是暨南大学汪莹莹教授课题组设计拉制的新型空芯光纤——反谐振空芯光纤（Hollow anti-resonant fiber，HC-ARF），该光纤的结构示意图如图2所示，其外径为220μm，中间空气孔内径为57μm，周围被七个环状二氧化硅毛细管包围，其壁厚度为0.63μm，该结构设计可以有效抑制芯模和其他包层模之间的模干扰，并确保其在第一个反共振带中工作。根据测量得到的透射谱显示，其工作波段范围覆盖从1.45μm到至少2.4μm（受光谱分析仪限制）。这涵盖了本实验研究中使用的所有波长。

图2新型光纤结构示意图与透射谱
3.2气体检测性能
基于此新型空芯光纤，系统采用光纤耦合输出的连续波分布反馈(CW-DFB)半导体激光源，对LITES传感系统性能进行了验证(传感系统示意图如图1所示)。实验中选用C2H2气体，采用75 cm长的空芯光纤，得到的最小探测极限(MDL)为4.75 ppm。另外，在实验中，用纯氮气稀释浓度为1%的C2H2气体，以产生不同浓度的气体混合物，在不同气体浓度的测试下，该传感器具有良好的浓度线性响应 (R-square=0.99)，相关测试结果如图3所示。

图3不同浓度下C2H2-LITES传感器系统的2f信号以及线性拟合结果

同时，为了进一步验证该传感器的性能，系统还对CO气体进行了检测，达到了1704 ppm的最小探测极限，系统同样具有良好的浓度线性响应(R-square=0.99)，相关测试结果如图4所示。

图4不同浓度CO-LITES传感器系统的2f信号以及线性拟合结果

04应用与展望本文提出了基于新型空芯光纤的石英光致热弹光谱技术，其使用定制的空芯光纤（长75 cm）作气体吸收池，待测的气体样品在光纤的中心区域与光发生了完美的相互作用。与传统的长光程池相比，空芯光纤具有较低的光传输损耗，有利于减小传感器尺寸和简化光学系统。而通过实验验证，该传感器对目标气体浓度都具有良好的线性响应与探测灵敏度。这种基于新型光纤的LITES传感系统探测极限还可以通过使用长度更长的光纤或选择强度更强的气体吸收线来进一步改善。审核编辑：郭婷