提升3個數量級 香港理工光纖傳感領域研究獲進展

2020-12-08 科技世界網

香港理工大學深圳研究院靳偉教授團隊在國家自然科學基金委重大項目等的資助下，在光纖傳感領域取得重要進展，將氣體傳感器的靈敏度和動態範圍同時提升了約3個數量級。其最新研究成果「Ultra-sensitive all-fibre photothermal spectroscopy with large dynamic range」(超靈敏、大動態範圍全光纖光熱光譜分析法)於4月13日在Nature Communications(《自然•通訊》)在線發表。

痕量氣體探測在環境、醫療、安防等領域具有重要應用。基於光纖的氣體探測能夠實現小型化、多點復用、組網及遠程監測，是近年來光纖傳感的前沿研究領域。然而，傳統的吸收型光纖氣體傳感器由於光與物質作用效率不高，背景及模式噪聲大，其傳感靈敏度很難突破1ppm，動態範圍一般限制在3個數量級左右。

靳偉團隊研究了空芯光子帶隙光纖中的光熱相位調製效應，提出了一種新的超靈敏的痕量氣體檢測方法，它克服了傳統光纖氣體傳感系統的主要限制因素，實現了2ppb的氣體(乙炔)探測靈敏度和近6個數量級的動態範圍。

該方法基於氣體分子吸收產生的光熱效應，利用其引起的周期性相位調製，結合先進的光纖幹涉儀相位解調技術，實現氣體檢測。通過應用空芯光子帶隙光纖有效地提高了光和物質作用的能量密度和氣室長度，大大增強了傳感器中因氣體吸收而產生的相位調製。這種全光纖傳感系統克服了傳統光熱幹涉系統中光與物質相互作用弱、體積大且需要精密對準、難以實現光子集成等弱點，充分利用了通訊波段光器件的價格低、技術成熟、資源豐富等優勢。該方法對於具有光譜吸收的液體和氣體檢測具有普適性，可廣泛應用於醫學、化學及生物化學等重要領域的痕量物質檢測。

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