光子晶體光纖氣體感測

利用光子帶隙原理導光的光子晶體光纖可以實現雷射在空氣纖芯區的傳播，並且可以將 95%的光能限制在該區域。

基本介紹

• 中文名：光子晶體光纖氣體感測
• 外文名：photoniccrystal fiber gas sensor

1光纖氣體感測概述

在工業生產中，能夠實時準確地對原料或產物中的易燃、易爆、有毒、有害氣體進行實時檢測有非常重要的意義。同時，隨著工業生產的發展，環境的污染越來越引起人們的關注。以上需求成為新興氣體感測和檢測技術發展的巨大推動力。光纖氣體感測器在工業氣體過程控制、環境監測、以及惡劣環境下的線上、連續檢測方面具有不可替代的作用。

光纖氣體感測器一般用於對氣體濃度的測量，本質上講，一切與被檢測氣體物理或化學特性相關的光學現象，都可以直接或間接用於光纖氣體感。對於光纖氣體感測器，感測信息可以調製於光的強度、波長、相位以及偏振態。

2光纖氣體感測

1）染料指示劑型光纖氣體感測

染料指示劑型光纖氣體感測是利用染料指示劑作為中間物來實現對氣體間接測量的感測技術。其基本原理是：染料與被檢測氣體接觸後發生化學反應，使染料的物理、化學性質發生變化，再利用光學方法測量這種變化，就可以得到被檢測氣體的信息。常用的染料指示劑型光纖傳氣體感器是 PH 值感測器，該感測器利用的是某些氣體的濃度變化引起 PH 值的變化，而石蕊或酚紅指示劑顏色隨PH 值的變化而變化的原理。這種氣體感測器的缺點是對氣體種類指示性弱，難以作為氣體檢測唯一依據。

2）光纖螢光氣體感測

光纖螢光氣體感測器是通過測量相應的螢光輻射強度來得到氣體濃度信息的。螢光既可以來自被檢測氣體本身的自發輻射，也可以來自於與被檢測氣體相互作用的螢光染料。物質吸收特定波長光的能量，產生電子受激躍遷，然後受激電子自發輻射，產生螢光，氣體濃度既可以改變受激電子上能級壽命，也可以改變受激輻射強度，測量二者均可以得到被測量氣體的濃度信息。螢光氣體感測的優點是輻射波長直接反應被檢測氣體的物質結構，對不同被檢測對象有很好鑑別性，而且螢光壽命不受光源波動和染料濃度變化的影響，穩定性好，精度高。缺點是測量螢光壽命方法比較複雜，檢測成本高。

3）光纖折射率變化氣體感測

光纖折射率變化氣體感測的原理是：某些材料的折射率或體積會隨被檢測氣體變化而變化，將其代替光纖包層或塗覆在光纖端面上，能引起光纖傳光特性（有效折射率、雙折射、損耗）的變化，因此，通過測量光纖波導參數可獲得氣體濃度的信息。例如，1992 年 M.Archenault 利用雜聚矽氧烷（HPS）類材料採用溶膠-凝膠鍍膜技術塗於光纖表面測量甲苯等碳氫化合物。1994 年 S.Mcculloch 和 G.Stewart 將 TiO₂-SiO₂採用溶膠-凝膠技術鍍在 D-型光纖上，測量了甲烷氣體濃度。氫氣的測量一般也採用這種辦法，具體的做法是將鈀膜沉積於光纖端面，使光纖-膜及膜-空氣二界面形成光纖 Fabry-Perot 腔。鈀膜遇到空氣會發生膨脹，使得 Fabry-Perot 腔發生變化，即可獲得氫氣濃度數據。這類光纖氣體感測器結構簡單，價格低廉，但是鍍膜技術和防止膜層污染成為限制其發展的瓶頸。

4）光譜吸收型光纖氣體感測

光譜吸收型氣體感測是目前套用最廣泛的一種氣體感測技術，其感測原理脫胎於雷射光譜分析技術。光譜吸收型光纖氣體感測器結合了現代光纖技術的優點，將以前主要用於實驗的氣體光譜分析技術引入到實際工程氣體感測中，這在遠程遙感、多點網路化等方面有巨大的套用前景。依據信號檢測的方法不同，先後出現了差分吸收法、Fourier 變換光譜法、F-P 腔法、AOTF 等方法。

假設氣體在入射光光譜範圍內有特徵吸收峰，則光波經過氣體後，特定波長的光被吸收，就可以得到氣體的吸收譜線，通過標定氣體吸收峰位置，可進一步得到對氣體種類的識別。光纖氣體感測器就是利用某些氣體在石英光纖透射視窗內的吸收峰，測量因氣體吸收產生的透射譜線，已得到氣體種類與濃度信息的一類強度調製型氣體感測器。

與其他類型氣體感測器相比，光譜吸收型光纖氣體感測器具有檢測靈敏度高、回響速度快、抗溫度、濕度等外界因素干擾能力強等優點。其最大的特點是感測單元（氣室）簡單，可檢測氣體種類多，易於形成網路。因而是目前最有套用前景的感測技術。

光譜吸收型氣體檢測技術已經達到相當高的檢測靈敏度。實現這種高靈敏檢測的技術主要分兩類：一類是利用波長調製或頻率調製的光譜檢測技術，它是利用波長調製或二次諧波技術來獲得高靈敏度的檢測，一般可以達到 ppm（10）量級，這類感測技術隨著各種光通信器件（例如分布反饋式（DFB）雷射器、可調諧窄帶雷射器、可調諧梳狀濾波器等）的發展，已經在光纖化方面取得長足的進步。另一類是採用各種腔增強技術來獲得較高的檢測靈敏度，一般可達 ppb(10)量級或者更高。腔增強檢測技術有兩類：Ring-down 腔光譜檢測技術和有源內腔雷射光譜檢測技術。有源內腔光譜檢測技術是目前測量靈敏度最高的光譜吸收型氣體感測技術，正處於實驗究階段，距離實用化還有一定距離，其光纖化對實現高靈敏氣體感測具有很重要的意義。因此基於光纖雷射器的有源內腔氣體檢測技術近年來成為人們研究的熱點.

3光纖有源內腔氣體感測技術研究進展

有源內腔光譜檢測技術最早可以追溯到 1971 年，N.C.Peterson 等人在染料雷射器的諧振腔內放入一弱窄帶吸收體，結果發現雷射器輸出強度在輸出波長為吸收體吸收波長時明顯減弱。從此以後，雷射光譜學產生了一種新的光譜檢測方法——有源內腔光譜檢測方法，其主體思想是將被檢測物質置於雷射腔內，利用雷射在腔內反覆諧振，多次吸收以及這種附加吸收對雷射器輸出功率造成的非線性附加影響來獲得高靈敏度光譜檢測。有源內腔光譜檢測技術所用的雷射器可以是半導體雷射器、染料雷射器、固體雷射器以及光纖雷射器等。 1992 年V.M.Baev等人成功地利用二極體作為光源實現有源內腔吸收氣體探測，從而拉開了有源內腔光譜檢測法在氣體感測領域廣泛套用的帷幕。有源內腔光譜檢測方法仍然是檢測靈敏度最高、研究最熱、最有發展前景的氣體檢測方法。得益於光纖雷射技術和光纖感測技術的發展，光纖有源內腔氣體檢測技術也迅速發展起來。1993 年 R.Bohm 等最早將有源內腔技術引入光纖雷射器中。1999 年 Hernandez-Cordero 和 T.F.Morse 最早證明光纖雷射器可用於氣體感測技術。光纖有源氣體檢測多數選用的是用鉺光纖雷射器，主要是因為: 第一，摻鉺光纖增益範圍比較寬(1530nm-1560nm)，並且包含乙炔、氨氣等幾種重要有害氣體的吸收峰；第二，摻鉺光纖增益平坦，雷射器輸出比較穩定；第三，產生的光波長落在石英光纖的低損耗視窗內，有利於信號傳輸。

(1)摻鉺光纖雷射器腔內損耗引起雷射輸出功率改變是有源內腔氣體檢測的主要方法。在這方面，香港理工大學靳偉教授的研究小組做出了許多有意義的工作。2004 年，Y. Zhang 等人首先從摻鉺光纖三能及速率方程出發，模擬了泵浦功率對摻鉺光纖雷射器內腔氣體檢測靈敏度的影響。指出當雷射器工作狀態接近閾值的時候，檢測靈敏度有明顯提高，但同時雷射器的不穩定程度會增強。根據模擬情況，利用長度為 1cm 的氣室進行 C2H2氣體濃度感測，獲得了 2253ppm的感測靈敏度，比單程吸收時增大了 91 倍。同年，該組的 Min Zhang 等人將波長調製技術與有源內腔氣體檢測技術結合，在環型腔摻鉺光纖雷射器內引入氣體吸收池，並且在輸出功率的檢測上引入波長調製技術，得到 1000ppm 的乙炔氣體檢測靈敏度。Liu Kun 等人從二能級速率方程和光纖雷射器傳輸方程出發，詳細討論了環形腔摻鉺光纖雷射器有源內腔氣體檢測中雷射器泵浦功率、腔內損耗等因素對氣體檢測靈敏度的影響。這種方法的最大優點是當摻鉺光纖雷射器工作在閾值附近時可以獲得極高的檢測靈敏度。缺點是閾值附近工作的摻鉺光纖雷射器有很明顯的自脈動行為和很高的不穩定性，這極大限制和影響氣體濃度檢測結果的準確性。

（2）2004 年，Yu.O. Barmenkov 報導了一種時域光纖雷射器內腔吸收氫氣檢測方法。該方法根據雷射器模式建立時間受到腔內損耗的改變而改變這一雷射特性，通過測量雷射建立時間來檢測氫氣濃度。具體的做法是將鈀分子膜沉積的氫氣感測單元置入直線腔摻鉺光纖雷射器腔內。不同濃度的氫氣將在感測單元引入不同的腔損耗，進而影響雷射器模式建立時間，通過測量雷射器模式建立時間進而得到氫氣濃度信息。這種方法可以有效解決雷射器自脈衝和功率不穩定因素引入的測量不準確問題。2008 年，同一小組的 H.Arellano-Sotelo 等人又報導了基於 980nm 脈衝雷射器泵浦摻鉺光纖雷射瞬態行為的有源內腔液體折射率感測。具體的原理是將摻鉺光纖雷射器的反射鏡作為感測探頭，將被檢測液體看作為模式匹配液，利用液體折射率的改變影響反射鏡反射率進而影響雷射器諧振腔損耗，由於脈衝雷射器馳豫振盪頻率與腔損耗有直接關係，因此通過測量馳豫振盪頻率，就可以得到液體折射率變化情況，進而可得到某種溶質的濃度信息。以葡萄糖溶液為利，實驗測量了不同濃度下馳豫振盪頻率的變化。2011 年，H. Arellano Sotelo 等人又詳細論述了基於泵浦調製下摻鉺光纖雷射器馳豫振盪非線性動力行為的有源內腔感測原理。分別從實驗和理論上論證了腔內損耗對脈衝摻鉺光纖雷射器馳豫振盪頻率的影響行為，並且指出這種有源檢測方法對於大腔損（10dB）下很小的損耗變化具有很好的檢測靈敏度。

（3）隨著光通信技術和器件的發展，光纖感測器的復用技術也越來越豐富，諸如時分復用技術（TDM）、空分復用技術（SDM）、波分復用技術（TDM 和）頻分復用技術（FDM）等。這些方法使光纖感測系統中較昂貴的器件（如放大器，可調諧光源等）得到有效利用，大大降低系統成本，提高了測量系統有效利用率，對光纖感測的網路化有非常重要意義。2002 年，Yan Zhang 等人報導了一種基於光纖鎖模雷射器的多點氣體檢測技術。

由於不同地點的感測單元所在諧振腔長度不同，對應不同的鎖模頻率，因此，根據鎖模頻率就可以確定感測位置。這一工作對於吸收峰單一氣體的多點探測有非常重要意義，並且它能標定所處監測點的位置。2003 年，Yan. Zhang 等人又提出光纖有源內腔氣體感測可以波分復用。氣室由帶尾纖的自聚焦透鏡對準而成，每個氣室對應雷射器的一個環形腔，FBG 作為特定波長的反射鏡，通過施加應力使其 Bragg 波長與被檢測氣體某個吸收峰重合，以達到同一雷射器多點檢測的目的。

2004 年，Gillian Whitenett 等人又發展了鎖模光纖雷射器在氣體網路式感測上得套用。他們利用多種色散啁啾光柵作為波長選擇元件，實現了多點多種氣體的同步檢測。

4光子晶體光纖氣體感測研究進展

利用光子帶隙原理導光的光子晶體光纖可以實現雷射在空氣纖芯區的傳播，並且可以將 95%的光能限制在該區域，這就為實現光與物質相互作用提供了良好的環境。這一特性極大地擴展了光子晶體光纖的套用領域，其中非常重要的一個就是光譜吸收型氣體感測。

空心 PCF 在高靈敏光纖氣體中可以作為氣體吸收池，具有吸收距離長，附加損耗小的優點。這種氣室通常有兩種做法：一種做法是將 HC-PCF 連線在兩根普通單模或多模光纖之間，氣體通過 HC-PCF 與普通光纖之間的縫隙進入纖芯區域與光相互作用，這種做法的優點是簡便，易於實現，缺點是氣體進入纖芯區域較慢；另外一種做法是將空心光子晶體光纖與普通單（多）模光纖直接熔接，然後利用飛秒雷射器在 HC-PCF 側面打孔的辦法讓氣體進入纖芯，這種方法可以使氣體很快進入纖芯區域，甚至可以實現實時監測，缺點是製作工藝複雜，並且HC-PCF 的結構遭到破壞。HC-PCF 作為氣室已經在很多方面得到利用，例如高靈敏吸收性氣體檢測、自發輻射拉曼光譜、雷射穩頻等。

2004 年 T.Ritari 等人首次報導了空心光子晶體光纖在氣體檢測中的套用。他們利用加工的1米長空心PCF為氣室，以LED為光源，測量了乙炔氣體吸收帶並與傳統吸收氣室的測量結果做了比較。這項工作的重要意義在於證明 PCF 可以作為強吸收氣體（乙炔、氰化氫等）以及弱吸收氣體（氨氣、甲烷等）的感測器，與傳統吸收感測器相比具有體積小、結構簡單的優點。2006 年 R. Thapa 等人將丹麥 NKT 公司商品化的空心光子晶體光纖一端與普通單模光纖相熔接，另一端置於真空室測量了乙炔氣體在近紅外波段的飽和吸收譜線,進一步證明空心光子晶體光纖在氣體感測上具有廣泛套用前景。2008 年，A.M.Cubillas 等人報導了利用 HC-PCF 為氣室，甲烷氣體1300nm 和 1670nm 弱吸收帶氣體感測研究，得到 49ppmv 的檢測靈敏度。Henningsen，J.等人利用空心光子晶體光纖做為氣室測量了乙炔和氰化氫氣體的飽和吸收光譜。

2010 年，Li Xuefeng 等人報導了一種快速反應的氨氣光子晶體光纖感測器，優點在於利用在光子晶體光纖兩端施加壓力差的方式，加速了氣體在光纖纖芯區域的流動。實驗和理論研究均表明，這種方式確實比將 PCF 封在氣室中填充氣體快了許多。

同年，年 Patrick Tomas Marty等人又報導了一種 SF-PCF-MF 型光子晶體光纖氣室，該氣室的特點是 PCF 與普通光纖之間有 8 度夾角，可以有效減小光在 PCF 與普通光纖之間傳播的菲涅爾反射。實驗證明這種氣室可以用於直接光譜吸收、腔增強吸收等氣體感測等方面。Rosalind M. Wynne 報導了另外一種壓力驅動的雙端開口氣室，該氣體室做成的感測器回響時間可以小於一分鐘，有望實現實時測量。

另外，由於許多氣體，尤其是大分子氣體在中紅外波段有很強的吸收。中紅外光子晶體光纖光譜吸收型氣體檢測方面也有許多有意義的嘗試。2005 年，J.D.Shephard 等人首次報導了 3μm 附近單模近紅外波段帶隙型光子晶體光纖，最佳化後傳輸損耗小於 1dB/m，並指出這種光子晶體光纖在生物、化學感測上有廣泛。2006 年，N.Gayraud 等人利用這種光纖首次實現全矽光纖 3μm 以上（3.2μm）甲烷氣體吸收光譜的測量。2008 年，Nicolas Gayraud 等人利用飛秒雷射參量震蕩產生的閒頻光作為光源，中紅外光子晶體光纖為氣室，紅外傅立葉光譜儀為檢測儀器，實現甲烷 1000ppm 靈敏度感測。