《基於慢光的新型高靈敏度光學氣體感測技術基礎研究》是依託東北大學，由王琦擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於慢光的新型高靈敏度光學氣體感測技術基礎研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王琦
- 依託單位：東北大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
光子晶體波導在室溫可實現光速變慢，且結構緊湊。光子晶體結構具有多樣性，用光子晶體波導替代傳統氣體吸收池用於光纖氣體感測系統中，利用其慢光效應，將大大提高氣體的吸收係數，使檢測系統的靈敏度得到極大提高，同時能減小氣體吸收池的體積。本研究提出將慢光光子晶體槽波導套用於氣體濃度光學檢測的新理論、新技術和新方法，有效提高檢測系統的解析度和靈敏度。主要內容包括：提出並建立光子晶體槽波導減慢光速的理論模型和實驗系統；研究光子晶體槽波導中慢光提高氣體吸收係數的新理論和新方法；研究一種基於慢光光子晶體槽波導的新型氣體濃度檢測技術，不僅為流程工業生產過程參數監測與控制提供有效的手段，還為流程工業生產中易燃易爆、有毒有害氣體的環境安全問題實時線上高靈敏度監測技術提供了有效的方法。
結題摘要
隨著我國工業化進程的大踏步推進，大氣污染威脅著人們的身心健康和生存環境。實現快速、實時、高準確度、高靈敏度的氣體濃度檢測具有非常重大的現實意義。本項目以光子晶體為主要研究對象，開展了基於光子晶體的氣體感測理論及關鍵技術研究工作。（1）基於光子晶體波導的氣體感測理論及關鍵技術研究。分析光子晶體波導慢光的產生機理及其特性，從理論上論證了光子晶體槽波導慢光在提高氣體感測靈敏度方面的可行性，進而創新性地提出了基於光子晶體槽波導慢光的氣體感測技術，並結合實際套用需求，分析討論了光子晶體槽波導慢光套用於氣體感測技術中所必須考慮的關鍵性問題。為解決這些問題，首先利用平面波展開法和有限時域差分法，以探討光子晶體槽波導的能帶結構、色散曲線和導模特性為出發點，首創性地提出了基於光子晶體槽波導空氣孔位置改變、空氣孔形狀改變以及液體填充技術的慢光最佳化方法，獲得了群折射率為176、頻寬為1.15 nm、群速度色散小於5E6 ps2/km、對工藝誤差和溫度不敏感的慢光，且該最佳化結構具有易於製備、產生的慢光工作波長可根據實際需要進行調節等優點，是目前文獻中報導的最好的慢光效果。此外，利用諧振漸變耦合和干涉共振技術，將光子晶體槽波導與普通光纖之間的耦合效率提高到90%以上。由於慢光的引入，系統的測量靈敏度可以提高176倍。最後，搭建配氣、混氣及感測裝置對該檢測系統進行初步的實驗測試與性能分析，實驗結果證明了理論分析的正確性。（2）基於光子晶體微腔的氣體感測理論及關鍵技術研究。分析光子晶體微腔的諧振特性及其感測機理，創新性地提出了基於選擇性氣體吸收分子填充光子晶體微腔的氣體感測技術。利用有限時域差分法，詳細探討了光子晶體微腔結構的控光特性、光場分布以及透射特性，並在該領域首次提出將微流體填充技術、慢光技術與光子晶體微腔相結合的思想，實現了折射率靈敏度為450 nm/RIU、品質因子Q為1105、適用於氣體感測的光子晶體微腔；根據光子晶體微腔的輸出譜特性，首次提出一種基於光纖環形腔衰盪光譜的波長信號解調技術，不僅可以高精度地分辨光子晶體微腔諧振波長的移動情況，而且還可以進一步提高氣體的測量靈敏度；該系統最小可探測的甲烷氣體濃度為2.37 ppm，該項研究工作首次實現了能夠同時具有微型化、高靈敏度以及良好鑑別性能的氣體感測技術，具有廣泛的學術研究和實際套用價值。
