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• 发布时间：2022-07-28

【概要描述】      激光光谱技术基于原子或分子“指纹”特征光谱进行探测，具有选择性好、无需标记等优点。传统的光谱学气体传感器由分立的光学元件构成，使用空间气室作为传感单元，其体积较大，对准比较困难。微纳结构光纤柔性好，可实现光与气体在光纤中的长距离相互作用并保持紧凑的气室结构。微纳结构光纤对光场的束缚强，模场尺寸小，能量密度高，和样品重叠度高，可增强光与气体的非线性作用，提高检测灵敏度。使用微纳光纤自身作为气室传感单元，简化了光路之间的对准和链接，有助于推动光谱学测量技术向实用化方向发展，便于实现远程探测。利用微纳光纤本身的光学模式、声学模式及热传导等特性，可以实现新型高灵敏的气体传感器。 3.1.1 工作原理      微纳结构光纤光谱学气体测量原理如图12所示。光和气体在纤芯内部或表面附近相互作用，改变了光的强度和相位，产生热量、声波或新的光波长等，通过探测这些变化可以得到气体的种类和含量。对于在工作波段吸收较强的气体，可以直接探测其光谱损耗或色散，或者可基于光热、光声效应测量气体吸收泵浦光后引起的探测光的相位变化。对于吸收较弱或没有吸收但具有拉曼活性的气体，可以探测其拉曼光谱、受激拉曼增益或色散。传感光纤可以是空芯光子带隙光纤、空芯反谐振光纤或微纳芯光纤。根据测量需要，工作波长可选择紫外、可见光或红外波段。 3.1.2 技术发展      首次应用微纳结构光纤进行气体测量的报道可以追溯到2001年。最早研究中用的是实芯微结构光纤，之后是空芯光纤[108-109]。二十年来，研究人员在光纤气室的设计和制作、响应速度的提高、新型检测方法、噪声抑制、灵敏度的提高、动态范围的增大、系统稳定性的提高及实用化方面取得了令人瞩目的进展。表8给出了微纳结构光纤气体测量技术发展的简要历程。 (a)光与气体在光纤内部相互作用；(b)光与气体作用的物理过程；(c)可用于气体测量的几种微纳结构光纤 图 12  光纤气体测量基本原理示意图 3.1.3 需求现状      航天、航海、能源、食品卫生、环境保护等领域的发展，对气体探测的能力提出了愈来愈高的要求。在空间和海洋探索中，密封舱内工作人员的数量和工作时间不断增加，人员新陈代谢、设备运行和材料释放等因素使狭小空间内空气质量变差。有效监测舱内空气中的痕量气体物质，对于维持健康的空气环境，探测泄漏、过热故障征兆等具有重要意义。在医学领域，呼吸检测是近年来研究的一个热点。呼出气体中包含的痕量气体成分能反映人体特定的生理状况，为一些重大疾病的早期无创诊疗提供了新的方法。在能源工业领域，高精度的气体检测在大型关键设备诊断、燃烧产物分析、炼化过程监测等方面有重要应用。目前常用的气体检测技术包括气相色谱/质谱分析，电化学、光离子化探测等，在测量精度、动态范围、气体种类、成本、体积、在线或远程测量等方面难以满足日益增长的需求。 3.1.4 挑战性的问题与难点      在实验室条件下，微纳结构光纤气体传感器已经实现了对多种气体(如甲烷、乙烷、乙炔、氨气、一氧化碳、二氧化碳等)的测量，灵敏度已达到10-6至10-12量级。面向不同领域的实际应用，需要解决如下主要问题：      1) 探头技术。优化微纳结构光纤的模式和偏振特性以提升气室的光学稳定性，采用合适的防水、防污、防震包装以适应不同的应用环境。      2) 光学解调技术。光学干涉相位检测系统需具有高灵敏、大动态范围、稳定、小型化和低成本的特点。      3) 光源技术。不同波段，尤其是红外波段的低成本、可调谐、窄线宽激光器是高灵敏多组分气体测量的关键器件。