空芯光纖光熱干涉法用于痕量氨氣傳感研究

汪 超，林粵川，孫立臣，竇 威，孟冬輝，姜勝武，黃賀勇，靳 偉

（1. 武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，武漢 430072； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；3. 香港理工大學(xué) 電機工程學(xué)系，香港 999077）

0 引言

氣體傳感技術(shù)在航空航天、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。針對不同氣體的物理/化學(xué)特性和不同領(lǐng)域應(yīng)用中對靈敏度、響應(yīng)速度、動態(tài)范圍、成本等方面的需求，目前已發(fā)展出種類眾多的氣體傳感技術(shù)，如電化學(xué)、光學(xué)、半導(dǎo)體等[1-5]，在氣體泄漏探測、工業(yè)過程分析和故障診斷、醫(yī)療等方面發(fā)揮著重要作用[6-8]。在眾多氣體傳感應(yīng)用領(lǐng)域中，航空航天領(lǐng)域涉及的氣體種類多，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，對氣體傳感器和系統(tǒng)除了在靈敏度、動態(tài)范圍等常規(guī)參數(shù)上的需求外，還在環(huán)境適應(yīng)性、抗電磁干擾/耐輻射能力以及功耗、體積等方面提出較高要求。生產(chǎn)生活中常用的電化學(xué)和半導(dǎo)體型氣體傳感器對氣體的濃度探測靈敏度可達ppmv（part-per-million volume，百萬分之一體積）量級，但通常具有氣體交叉敏感、濕度干擾、耗材壽命較短等問題，難以適用于航空航天領(lǐng)域?qū)怏w分析性能和環(huán)境要求較高的應(yīng)用場合。相比之下，基于光譜學(xué)技術(shù)的氣體傳感器的探測過程是利用氣體分子/原子結(jié)構(gòu)在可見光至紅外波段的特征譜線進行傳感，不需要特殊的氣體敏感材料或耗材，是一類高性能的氣體探測技術(shù)。目前光譜技術(shù)中可調(diào)諧激光光譜技術(shù)（TDLS）、激光腔衰蕩光譜技術(shù)（CRDS）等已應(yīng)用于火星大氣甲烷成分檢測、密封艙內(nèi)氣體成分分析、生態(tài)系統(tǒng)-大氣環(huán)境二氧化碳交換分析等[9-12]。

光譜學(xué)氣體傳感技術(shù)中，實現(xiàn)高效的光與氣相物質(zhì)的相互作用是提高傳感器性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)光譜學(xué)氣體傳感器中常使用高銳度光學(xué)腔來增加光與待測氣體有效相互作用的長度，以達到累積光譜學(xué)效應(yīng)和增加傳感器靈敏度的目的?；诟咪J度光學(xué)腔的系統(tǒng)對鍍膜質(zhì)量和光路穩(wěn)定性均有較高要求，在很多航空航天場合（如大振動、強電磁干擾等）使用時，要滿足環(huán)境適應(yīng)性要求將帶來系統(tǒng)復(fù)雜程度、體積和質(zhì)量的增加。而空芯微結(jié)構(gòu)光纖技術(shù)在近年的快速發(fā)展為傳統(tǒng)光譜學(xué)氣體傳感技術(shù)提供了新的高效平臺。該平臺與普通單模光纖等現(xiàn)有其他光纖可連接形成體積小、耗氣量低（nL 級）、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的全光無源探測光路，避免了傳統(tǒng)高性能光譜系統(tǒng)中體積較大、需要精確對準的空間分立元件光學(xué)系統(tǒng)[13]。由于這些優(yōu)異的平臺性能，基于空芯光纖所形成的氣體傳感系統(tǒng)有望更適用于航空航天應(yīng)用中對高性能氣體傳感器的嚴苛要求。同時，這類技術(shù)還可構(gòu)建多點、分布式的全光氣體傳感系統(tǒng)[14]，體現(xiàn)了其在航空航天領(lǐng)域較大的應(yīng)用潛力。

本文研制一種基于小型空芯光纖法布里-珀羅（Fabry-Pérot, FP）干涉儀的光熱干涉氨氣（NH3）傳感系統(tǒng)。NH3作為一種主要的冷媒在航空航天領(lǐng)域是地面和空間熱控系統(tǒng)中的關(guān)鍵物質(zhì)，其濃度（體積分數(shù)）是密封艙氣體環(huán)境監(jiān)測中關(guān)乎航天員健康的重要指標，因此該技術(shù)的發(fā)展有望形成應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域氣體傳感和分析的實用方案。

1 空芯光纖光熱干涉氣體探測原理

空芯光纖在光與氣體相互作用方面的優(yōu)勢早在其被發(fā)明時已受到關(guān)注[15-16]，主要體現(xiàn)在：空芯光纖中傳輸光的模場直徑可低至數(shù)μm 而具有較大的能量密度，同時還能在較長的距離上與進入纖芯區(qū)域的氣體相互作用，因而有利于光與氣體相互作用中各種效應(yīng)的激發(fā)和累積，是高效的氣體分析平臺。氣體傳感作為這個平臺的重要應(yīng)用方向之一，多年來一直被廣泛研究[13,17]?？招竟庾訋豆饫w（HC-PBF）是目前空芯光纖中制備技術(shù)較為成熟、在氣體傳感研究中使用較多的一種。本文的研究也是基于這種光纖。HC-PBF 的典型截面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。不同于常用的單模光纖以及其他實芯微孔光纖[18-19]，應(yīng)用于氣體傳感時，HC-PBF 中絕大部分（可＞99%）傳輸光能量在光子帶隙結(jié)構(gòu)的束縛下將在空氣纖芯中沿光纖軸向傳輸，并參與與空芯內(nèi)氣體相互作用的傳感作用過程。

圖 1 空芯光子帶隙光纖（HC-PBF）的典型結(jié)構(gòu)Fig. 1 Typical transverse and axial cross sections of hollowcore photonic bandgap fibers (HC-PBF)

在空芯光纖光譜學(xué)氣體傳感研究中，基于比爾-朗伯（Beer-Lambert）定律的直接吸收技術(shù)的研究最為廣泛。該定律可以表述為[1]

即，對應(yīng)某氣體吸收峰（吸收波長為λ）的光在該氣體中傳播一定距離后的光功率呈自然指數(shù)衰減，該衰減過程的系數(shù)為該氣體在吸收波長λ處100%濃度時的吸收系數(shù)α(λ)、氣體實際濃度C以及光與氣體相互作用的實際距離L的乘積。式(1)中P0和P(λ)分別為初始的和經(jīng)過待測氣體區(qū)域后的光功率。

應(yīng)用比爾-朗伯定律進行氣體傳感時，通過判斷發(fā)生氣體光吸收現(xiàn)象時的光波長位置和吸收線強度變化，就可以判斷氣體的種類和濃度。這種直接強度探測傳感技術(shù)的光路系統(tǒng)簡單，但性能受系統(tǒng)中廣泛存在的各種強度噪聲的影響較大。雖然采用波長調(diào)制二次諧波探測技術(shù)可以有效提高探測靈敏度，然而受光纖光路中多路徑干涉等因素影響，其靈敏度（噪聲等效吸收系數(shù)）通常難以突破ppmv 量級[20]。

為了提升空芯光纖氣體傳感技術(shù)性能，越來越多基于傳統(tǒng)空間光路的光譜分析技術(shù)正被應(yīng)用到空芯光纖平臺進行氣體傳感研究[21-23]。2015 年，Jin 等提出了一種將光熱光譜技術(shù)和空芯光纖干涉技術(shù)結(jié)合的光熱干涉氣體傳感方法，獲得了靈敏度和動態(tài)范圍性能均大幅提升的光纖氣體傳感系統(tǒng)[21]。該方法通過光纖空芯中待測氣體光譜吸收生熱的伴生效應(yīng)（局部溫度、密度和壓力變化）引起的傳輸光相位變化來判斷氣體濃度信息；和其他光譜技術(shù)一樣，通過氣體吸收波長判斷氣體種類。如圖1 中空芯光纖的軸向剖面圖所示，光熱相位氣體傳感系統(tǒng)通過一束波長對準待測氣體吸收峰的激光（泵浦光）來激發(fā)氣體分子熱效應(yīng)，通過另一束遠離氣體吸收譜區(qū)域的激光（探測光）來“感受”光纖空芯中光熱引起的相位變化。光熱相位Δ?和待測氣體濃度的關(guān)系可以表示為[21]

式中：Ppump為泵浦光功率；L和w分別為空芯光纖的長度和模場半徑；C為待測氣體濃度；K為一個和待測氣體吸收峰強度、線形、光纖參數(shù)、調(diào)制頻率等相關(guān)的系數(shù)?？梢钥闯觯捎贖C-PBF 空芯可以在具有較小的w同時還有較長的L，所以其中的光熱效應(yīng)將得到大幅增強。這個探測光的光熱相位可以通過光纖干涉儀轉(zhuǎn)化為強度信號進行探測?；谝欢?0 m 長的HC-PBF 和一段0.62 m 長和馬赫-澤德（Mach-Zehnder, MZ）型光熱干涉系統(tǒng)，分別可以實現(xiàn)噪聲等效濃度（NEC）靈敏度約為2 ppbv（part-per-billion volume，十億分之一體積）和近6 個數(shù)量級動態(tài)測量范圍的乙炔氣體傳感[21]。

2 空芯光纖光熱干涉系統(tǒng)及其氨氣傳感

2.1 法布里-珀羅型光纖光熱干涉氣體傳感系統(tǒng)

在常用的光纖干涉結(jié)構(gòu)中，光纖FP 干涉儀的長度通常較短（幾十μm 到幾cm），在用于光譜學(xué)氣體傳感時，其內(nèi)部的光與氣體相互作用區(qū)域也較短，因此所構(gòu)成的氣體傳感系統(tǒng)靈敏度性能通常不及其他作用區(qū)域較長的光纖干涉系統(tǒng)，如光纖MZ 干涉儀。但光纖FP 干涉儀體積小，可以單端工作而易于封裝和加載，并通過反饋實現(xiàn)光路穩(wěn)定，因此實用性較好。結(jié)合光熱探測技術(shù)，光纖FP 干涉儀氣體傳感系統(tǒng)的性能已有大幅提高，一個基于2 cm 長HC-PBF 的FP 型光熱干涉系統(tǒng)在近紅外乙炔氣體傳感實驗中表現(xiàn)出的探測靈敏度最高可達到約5.1×10-7cm-1[24]。

用類似的FP 型光熱干涉系統(tǒng)，我們開展了痕量NH3傳感的研究，實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中用于制備光纖FP 氣體探頭的空芯光纖為NKT Photonics 公司的HC1550-02 空芯光子帶隙光纖，其截面結(jié)構(gòu)參見圖1，中空纖芯直徑約10 μm。該型號空芯光纖的基模模場與普通單模光纖模場接近，因此可以與單模光纖低損耗耦合。通過優(yōu)化的熔接參數(shù)[25]，我們將一段空芯光纖兩端分別與普通單模光纖熔接制成如圖2 右側(cè)所示的探頭，由2 cm長的空芯光纖構(gòu)成，光纖熔接點用外徑650 μm的毛細管進行保護。這個探頭可以通過一段較長的單模光纖與探測系統(tǒng)連接實現(xiàn)遠程探測。為了使待測氣體進入探頭光纖，我們在空芯光纖側(cè)面用飛秒激光微加工技術(shù)[26]制備了2 個氣體微通道。微通道直徑約3 μm，由光線表面通入光纖內(nèi)部空芯區(qū)域。這2 個微通道給探頭帶來的額外損耗整體小于0.1 dB。FP 干涉譜形在加工前后沒有明顯變化。

圖 2 基于HC-PBF 的FP 型光熱干涉氣體傳感系統(tǒng)及空芯光纖探頭Fig. 2 FP photothermal interference gas sensing system based on HC-PBF and its sensor

經(jīng)單模光纖傳輸?shù)娇招咎綔y光纖的入射光將在2 個熔接點處的實芯-空芯界面發(fā)生反射。其中一束反射光（圖2 探頭中左側(cè)箭頭示）未進入空芯光纖；而另一束反射光（右側(cè)箭頭示）經(jīng)歷2 次空芯傳輸，具有額外的光程并在氣體傳感時受式(2)所描述的光熱相位調(diào)制。這2 束反射光的干涉可以將與待測氣體濃度成正比的光熱相位調(diào)制信號轉(zhuǎn)化為光強度信號，隨后被光探測器轉(zhuǎn)化為電信號。為了減小泵浦光反射對光源、探測器的影響，系統(tǒng)中采用波分復(fù)用器分別將泵浦光和探測光耦合進入空芯光纖探頭，并從反射光中僅分離出探測光到探測光路，同時在泵浦光路中使用隔離器去除反射光；為了減小各種強度噪聲的干擾，提升信噪比，系統(tǒng)對泵浦光進行了波長調(diào)制，并用二次諧波技術(shù)在25 kHz 頻率進行探測。

2.2 痕量氨氣傳感實驗

利用上述光纖FP 型光熱干涉系統(tǒng)進行NH3氣體光熱探測，需要選用工作波長調(diào)諧范圍可覆蓋NH3氣體吸收峰的窄線寬激光器。目前小模場的空芯微結(jié)構(gòu)光纖難以支持波長5 μm 以上的中紅外光傳輸，因此系統(tǒng)可選用的NH3氣體吸收峰主要在近/中紅外1.5、2、2.2 和3 μm 波長附近，如圖3 所示。其中近紅外1.5 μm 波長附近的吸收峰強度雖然相比于其他波段的小數(shù)倍，但其相關(guān)的光纖、激光器及配套光纖器件和設(shè)備都相對更成熟（低損耗、高功率、低成本），因此我們選用1.5 μm波長附近的吸收峰進行實驗。在1490～1535 nm波長范圍內(nèi)，NH3有多個強度在10-21cm-1/(molec·cm-2)量級的吸收峰可用于探測?？紤]到光纖放大器效率和回避較強的水汽吸收峰，我們在實驗1 系統(tǒng)中選用工作波長為1529.55 nm 的分布式反饋布拉格（DFB）激光器（線寬3 MHz，邊模抑制比56 dB）作為泵浦光對NH3在1529.85 nm 處強度約8.5×10-22cm-1/(molec·cm-2)的吸收峰進行痕量NH3探測；選用工作波長為1550.12 nm 的DFB 激光器作為探測光。試驗前，探測光激光器波長通過溫度微調(diào)到FP 干涉儀的正交點（干涉條紋斜率最大點），以獲得最大的相位靈敏度。

圖 3 NH3 和水汽在本實驗關(guān)注波段的吸收峰Fig. 3 The absorption peaks of NH3 gas and water vapor in the experimental attention band

光熱干涉系統(tǒng)采用的DFB 激光器線寬（MHz級）比室溫常壓下氣體吸收峰寬度小約2～3 個量級，因此能準確地分辨氣體吸收譜中的單個吸收峰，但對于吸收譜有重疊的氣體，可能在某個吸收波長處難以有效區(qū)分。為驗證探測系統(tǒng)對氣體吸收峰的區(qū)分能力，我們在實驗2 中在2 個相距僅39 pm的NH3吸收峰（1532.538 nm 和1532.577 nm）附近進行了NH3探測，其中使用了標準工作波長1532.5 nm 的激光器進行泵浦，探測光激光器與實驗1 相同。圖4 中曲線為基于Hitran 網(wǎng)站數(shù)據(jù)計算得到的實驗波長附近NH3的歸一化吸收譜形（室溫常壓），圖中2 個標記的波長分別對應(yīng)實驗1 和實驗2 的目標吸收峰，可以看出實驗2 的目標吸收峰附近存在其他吸收峰的干擾。

圖 4 NH3 氣體在1530 nm 附近實驗波段的吸收峰細節(jié)和根據(jù)吸收峰計算得到的吸收譜形Fig. 4 The details of the absorption peaks of NH3 gas in the experimental band near 1530 nm and the absorption spectra calculated from the peaks

在實驗1 中，我們將長度2 cm 的空芯光纖探頭放置在常壓小型氣室（10 cm×7 cm×6 cm）中，對10%濃度的NH3（N2背景）進行測試。FP 探頭的干涉條紋對比度為6 dB。系統(tǒng)中鎖相放大器的時間常數(shù)為1 s，頻率25 kHz，濾波器衰減斜率18 dB/oct。實驗1 測得NH3的1529.85 nm 吸收峰對應(yīng)的二次諧波信號如圖5 所示，隨著進入探頭泵浦光功率的增加，二次諧波信號逐漸增強。圖6 列出了不同泵浦光功率下二次諧波信號（峰-峰值）與噪聲1σ幅值（泵浦光調(diào)離吸收峰），可以看出探測系統(tǒng)信號強度與泵浦光功率具有較好的線性關(guān)系，而噪聲隨泵浦光功率的提高沒有明顯增加。氣體探測系統(tǒng)的最小探測能力受到其內(nèi)部各種噪聲的限制，通常通過噪聲等效信號大小獲得系統(tǒng)信噪比，并由式(2)等效推算系統(tǒng)的氣體濃度分辨率。當進入空芯光纖的泵浦光功率為43 mW 時實驗系統(tǒng)的信噪比可提高到約2300，此時對應(yīng)傳感系統(tǒng)探測極限的NEC 值約為43 ppmv。

圖 5 不同泵浦光功率下NH3 的1 529.85 nm 附近吸收峰的二次諧波信號（實驗1）Fig. 5 Second harmonic signals of 1 529.85 nm absorption peak for ammonia gas at different pump power

圖 6 信號峰-峰值及噪聲隨泵浦光功率的變化（實驗1）Fig. 6 Diagrams of signal peak and noise varying with pump power

在實驗2 中采用了0.1%濃度的NH3（N2背景，實際濃度972 ppmv）和長度4 cm 的光纖FP 探頭（干涉條紋對比度與實驗1 樣品相近）。探測過程中進入光纖的泵浦光功率最高達到約140 mW，其他測試參數(shù)與實驗1 相同。圖7 為實驗測得NH3在1532.538 nm 和1532.577 nm 這2 個鄰近吸收峰的二次諧波信號?？梢钥吹竭@2 個吸收峰在圖4 中相互疊加的吸收譜形在二次諧波探測時可以很明顯地區(qū)分開。表明實驗2 中使用了更高的泵浦光功率和更長的空芯光纖，因此具有更好的氣體傳感靈敏度。圖8 為信號峰-峰值及噪聲隨泵浦光功率的變化，在泵浦光功率為140 mW 時，系統(tǒng)的信噪比約為197，對應(yīng)此時NH3傳感的NEC約為4.93 ppmv。結(jié)合吸收線強度和線形參數(shù)，可以算出吸收系數(shù)約為3.3×10-7cm-1。該示例反映出系統(tǒng)的性能還可通過選擇更強的吸收峰、增加探測的時間常數(shù)、增大FP 探頭的長度或條紋對比度等方法獲得進一步提高。

圖 7 不同泵浦功率下NH3 的1 532.5 nm 附近吸收峰的二次諧波信號（實驗2）Fig. 7 Second harmonic signals of absorption peaks near 1 532.5 nm of NH3 gas at different pumping power

圖 8 信號峰-峰值及噪聲隨泵浦光功率的變化（實驗2）Fig. 8 Diagrams of signal peak and noise varying with pump power

2.3 探頭溫度穩(wěn)定性的測試分析

為評估空芯光纖氣體探頭的溫度穩(wěn)定性，我們將上述長度分別為2 cm 和4 cm 的探頭樣品在數(shù)控溫度爐（ECOM LCO 102，精度0.1 ℃）中進行了溫度響應(yīng)測試。測試范圍從室溫（約26 ℃）到55 ℃。2 cm 和4 cm 探頭樣品的反射光譜溫度漂移系數(shù)分別為0.6 和1 pm/℃，相比普通光纖布拉格光柵小約1 個量級。

探頭較好的溫度穩(wěn)定性主要是由于探頭各部分均為同一熔石英結(jié)構(gòu)，熱應(yīng)力?。淮送鈧鬏敼饨^大部分在空芯中傳輸，因此熱光效應(yīng)的影響較小。后續(xù)我們將進一步開展基于伺服反饋的干涉儀穩(wěn)定技術(shù)研究，將探測光鎖定在最佳工作點，使系統(tǒng)具有更長期的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種基于HC-PBF 和FP 型光熱干涉結(jié)構(gòu)的痕量NH3傳感系統(tǒng)，以及基于該系統(tǒng)的NH3傳感性能驗證實驗。利用一段4 cm 長的HCPBF 制備了可遠程探測的全光纖探頭。該探頭結(jié)合近紅外通信波段光源和配套探測系統(tǒng)，在進行NH3傳感時的噪聲等效探測極限約為4.93 ppmv，對應(yīng)該系統(tǒng)的吸收系數(shù)約為3.3×10-7cm-1。可見，該系統(tǒng)的性能已達到或接近目前同體積的商用激光光譜氣體分析儀的水平（0.5～5 ppmv）；通過增加空芯光纖長度、選擇更強吸收線或加大泵浦光功率，該系統(tǒng)的性能還可進一步提升。實驗中，這套光熱干涉系統(tǒng)能有效區(qū)分NH3吸收譜中間隔僅39 pm的相鄰吸收峰，具有較好的氣體選擇性；系統(tǒng)光譜在室溫到55 ℃范圍內(nèi)的溫度系數(shù)約為1 pm/℃，具有較好的溫度穩(wěn)定性。

此外，通過多光源的集成，這套系統(tǒng)有望具備探測多種痕量氣體的能力，對在近紅外光通信波段存在吸收峰的多種氣體（如乙炔、氰化氫、硫化氫）進行多組分測量。實際應(yīng)用上，這套系統(tǒng)的優(yōu)點主要在于具有體積小、可遠程探測的全光纖探頭，有望制成結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)異的實用探測設(shè)備，在航空航天等領(lǐng)域的NH3探測、分析和檢漏等應(yīng)用上發(fā)揮重要作用。