光子晶體光纖氣體吸收光譜探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

李 晉，閆 浩，孟 杰

（1.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110819；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033；3.河北省微納精密光學(xué)傳感與測(cè)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島066004）

1 引 言

冶金化工、煤礦和石油化工領(lǐng)域中，對(duì)易燃易爆危險(xiǎn)氣體預(yù)混測(cè)試、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、濃度控制及早期預(yù)警對(duì)生產(chǎn)安全和生命財(cái)產(chǎn)保障至關(guān)重要［1］。低功耗、結(jié)構(gòu)緊湊、本質(zhì)安全、高性能的氣體傳感技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)和環(huán)境污染治理方面的需求極為迫切。基于石英音叉和聲表面波的聲光光譜技術(shù)、半導(dǎo)體納米材料的催化吸收和阻抗變化、材料增敏微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electromechanical System，MEMS）和納機(jī)電系統(tǒng)（Nano-Electromechanical System，NEMS）、光子晶體（Photonics Crystal，PC）微腔和光纖傳感技術(shù)在氣體探測(cè)方面均表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和產(chǎn)品化的潛力［2-4］。特別是激光光譜、光纖傳感等光學(xué)技術(shù)，更有利于在易燃易爆、高溫有害等苛刻環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的原位、實(shí)時(shí)和組網(wǎng)監(jiān)測(cè)［5］。激光吸收光譜技術(shù)除了可用于近海海面、大氣環(huán)境及工況空間等大尺寸區(qū)域內(nèi)氣體濃度的遙感探測(cè)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定位置氣體濃度和組分的原位檢測(cè)和分析［6］。通過光纖傳導(dǎo)和激光信號(hào)收集，能極大地簡(jiǎn)化氣體光譜檢測(cè)系統(tǒng)［7］。光子晶體光纖（Photonics Crystal Fiber，PCF）具備周期性空氣孔洞，在高效傳輸光信號(hào)的同時(shí)，也為氣體激光吸收光譜檢測(cè)提供了天然氣池，可以基于吸收光譜、拉曼光譜、光熱光譜及聲光光譜等機(jī)理實(shí)現(xiàn)氣體探測(cè)［8］。比爾-朗伯定律常用于描述氣體分子光譜吸收，當(dāng)空氣孔充滿氣體時(shí)，其等效折射率增大，纖芯和包層的折射率差減小，光場(chǎng)會(huì)進(jìn)入包層空氣孔中與氣體作用，有效增大氣體分子光譜吸收的作用面積，使光譜吸收強(qiáng)度的變化更為明顯［9］。因此，可以顯著提升檢測(cè)靈敏度［10］。

類似于平面PC結(jié)構(gòu)的色散結(jié)構(gòu)或介質(zhì)，PCF內(nèi)部可以產(chǎn)生慢光效應(yīng)，通過減慢光信號(hào)的群速度來增加光與氣體分子的作用距離，實(shí)現(xiàn)等效作用光程的延長(zhǎng)，以提高氣體檢測(cè)的靈敏度［11］。2019年，THz-PCF被提出用于實(shí)現(xiàn)對(duì)氰化氫（HCN）濃度的檢測(cè)，并通過理論模型計(jì)算在1 239.9 GHz頻率處觀察到明顯的吸收窗口，檢測(cè)限可以達(dá)到2×10-6［12］。表面等離子體結(jié)構(gòu)的引入可有效提高PCF傳感器的靈敏度，如在其空氣孔內(nèi)壁選擇性涂覆金屬膜和填充微納米金屬線，以及端面和側(cè)面制作金屬納米膜和微納結(jié)構(gòu)等［13］。氣體受激拉曼散射強(qiáng)度的變化可以直接反映氣體壓力和濃度的變化信息，同時(shí)具備在強(qiáng)度和頻移等多維度實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類氣體檢測(cè)的潛力［14］。PCF可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部灌注液體的光學(xué)泵浦和熒光信號(hào)的高效收集，有望用于研制低功耗生物熒光檢測(cè)芯片［15］。Jochum等人利用PCF的拉曼光譜增強(qiáng)效應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)成熟水果散發(fā)的O2，CO2，NH3和C2H4氣體，實(shí)現(xiàn)對(duì)水果貯存狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及腐爛預(yù)警功能。4種氣體的拉曼吸收光譜位置可明顯區(qū)分，對(duì)比樣品氣體，其檢測(cè)誤差小于3%［16］。PCF一方面可以利用其內(nèi)部氣孔構(gòu)建光學(xué)、氣體、流體通道，用于研制“纖內(nèi)”一體化傳感探頭，或者與其他類型光纖熔接構(gòu)建多功能緊湊型光纖結(jié)構(gòu)；另一方面，也可以被加工成D型表面、長(zhǎng)周期光柵、雙錐形微光纖，融合其他光纖結(jié)構(gòu)與PCF特點(diǎn)，開發(fā)新型的光學(xué)器件［17］。

本文從PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā)，綜述近年來基于不同PCF結(jié)構(gòu)的氣體激光光譜吸收檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)展，其中包括通過PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提高氣體檢測(cè)的相對(duì)靈敏度和降低光學(xué)傳輸損耗；利用PCF設(shè)計(jì)端頭反射型、光柵波長(zhǎng)調(diào)制型和復(fù)合型光纖探頭；借助大長(zhǎng)度及大孔徑PCF提高氣體分子與光信號(hào)的作用效率等。

2 PCF的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

如圖1所示，PCF的包層氣孔可以是六邊形、圓形和橢圓形等結(jié)構(gòu)，分布形式可以為均勻分布、輻射分布和螺旋型分布等。根據(jù)纖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，PCF可以初步分為高折射率反射型的普通PCF和折射率導(dǎo)引型PCF，前者原理類似傳統(tǒng)光纖，光信號(hào)在中心纖芯內(nèi)全反射傳輸；后者又稱光子帶隙光纖（Photonics Band-Gap PCF，PBG-PCF），它利用光子帶隙效應(yīng)，將光場(chǎng)局限在低折射率的空芯纖芯內(nèi)傳輸。此外，纖芯結(jié)構(gòu)還可以設(shè)計(jì)為非對(duì)成型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的非線性調(diào)控。

圖1 PCF的纖芯，包層氣孔結(jié)構(gòu)及分布形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of core，cladding pore struc?ture and distribution of PCF

在優(yōu)化PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，要根據(jù)不同的光纖類型和包層結(jié)構(gòu)分布形式進(jìn)行精細(xì)地調(diào)控，以檢驗(yàn)不同參數(shù)下的光學(xué)模場(chǎng)分布效果。

2.1 常規(guī)PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

PCF氣體傳感探頭的性能討論主要集中在PCF關(guān)鍵幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化上，目標(biāo)一方面是提升氣體檢測(cè)的相對(duì)靈敏度［18］：光纖內(nèi)光學(xué)模式與氣體分子的有效作用面積和整個(gè)模場(chǎng)截面的面積比；另一方面是改善孔徑對(duì)光信號(hào)的限制損耗［19］：表征PCF包層對(duì)光場(chǎng)的限制能力，用光場(chǎng)經(jīng)過單位長(zhǎng)度PCF后的功率損失。然而，跨越微米尺度的超精細(xì)納米結(jié)構(gòu)PCF的設(shè)計(jì)大多也只存在于理論仿真階段。在PCF幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中，最簡(jiǎn)單的方式是改變纖芯及其周圍不同級(jí)次環(huán)形結(jié)構(gòu)上的空氣孔直徑或周期，PCF纖芯的幾何結(jié)構(gòu)及占空比的優(yōu)化，可以有效提升氣體檢測(cè)的相對(duì)靈敏度［20-21］。

根據(jù)緊密排列環(huán)形、六邊蜂巢型、八角形、十角形等單一構(gòu)型或者多種構(gòu)型混合，可以構(gòu)建結(jié)構(gòu)規(guī)則、中心對(duì)稱的光子晶體結(jié)構(gòu)。它們也更容易采用傳統(tǒng)堆棧-拉伸技術(shù)直接獲得［22］。采用八角陣列結(jié)構(gòu)PCF，氣體檢測(cè)相對(duì)靈敏度從5.09%提高到了9.33%，限制損耗降低到10-4量級(jí)［23］。Morshed等人在針對(duì)CH4和HF氣體傳感特性分析的PCF仿真模型中，將限制損耗降低到10-8d B/m量級(jí)［24］。

將PCF的包層部分設(shè)計(jì)成螺旋結(jié)構(gòu)，可以表現(xiàn)出更顯著的模式限制作用，有效減小光纖結(jié)構(gòu)對(duì)光學(xué)模式的限制損耗［25-26］。在此基礎(chǔ)上，可通過調(diào)節(jié)內(nèi)部光子晶體單元形狀和分布獲得高雙折射，拓展工作波段，提高氣體檢測(cè)的相對(duì)靈敏度。通過在環(huán)形PCF結(jié)構(gòu)中引入數(shù)層螺旋形多空區(qū)域圍繞纖芯，理論上在1.33μm處獲得了高達(dá)72.04%的相對(duì)靈敏度，對(duì)應(yīng)的有效模面積為10.04μm2，工作波長(zhǎng)可以覆蓋1～1.8μm［27］。但是，該P(yáng)CF空氣孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須嚴(yán)格控制，其直徑在50 nm范圍的差異會(huì)導(dǎo)致相對(duì)靈敏度在10%的范圍內(nèi)變化，其他影響因素還包括孔洞周期、螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)層數(shù)、光波波長(zhǎng)及偏振特性。

Paul等人通過仿真建模計(jì)算，首次在常規(guī)PCF的周期性結(jié)構(gòu)中引入準(zhǔn)晶體（Quasi-crystal）結(jié)構(gòu)，有效抑制了非線性光學(xué)效應(yīng)，降低了傳輸損耗（10-6量級(jí)），獲得了高質(zhì)量的單模傳輸（1～1.8μm）和高相對(duì)靈敏度（64.69%）的氣體傳感效果［28］。除了傳統(tǒng)圓形截面纖芯結(jié)構(gòu)以外，纖芯部分還被設(shè)計(jì)成3個(gè)矩形平面堆棧型結(jié)構(gòu)。這3個(gè)平面的相對(duì)位置和角度的變化會(huì)直接影響不同偏振方向光信號(hào)的模場(chǎng)光斑。該結(jié)構(gòu)在1.3～2.2μm波段表現(xiàn)出完美的線性響應(yīng)，對(duì)應(yīng)的相對(duì)靈敏度為48.26%［29］。

2.2 PBG-PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

PBG-PCF借助內(nèi)部空氣孔周期晶體來傳導(dǎo)光學(xué)信號(hào)，其中94%～95%的傳輸光被束縛在纖芯內(nèi)，總的模式空氣重疊比率高達(dá)98%～99%，可以作為一種絕佳的氣體光譜吸收池。例如，在其中空纖芯內(nèi)灌注乙炔氣體后熔接到單模光纖上，用于構(gòu)建緊湊型的參考樣品池［30］。PBGPCF光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化用于提升CO檢測(cè)過程中提高纖芯內(nèi)光場(chǎng)的傳輸率>90%［31］。

PBG-PCF對(duì)激光光源的波長(zhǎng)有嚴(yán)格要求，必須落入其帶隙范圍，才能保證將70%～90%的光學(xué)模場(chǎng)功率局限在空芯纖芯內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)與氣體分子的高效作用［32］。Arman等人采用COMOSL Multiphysics設(shè)計(jì)了PBG-PCF，當(dāng)空纖芯直徑從5.3μm增大到5.8μm的過程中，仿真獲得其最高相對(duì)靈敏度為96.53%，對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)模式分布也顯示出了最低的限制損耗［33］。類似于經(jīng)典保偏光纖對(duì)不同偏振方向光信號(hào)的調(diào)節(jié)作用，也可以在PBG-PCF結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入橢圓形孔來增強(qiáng)雙折射效應(yīng)。橢圓孔的快軸、慢軸、周期和結(jié)構(gòu)分布會(huì)影響x，y方向偏振光的模場(chǎng)分布。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后非對(duì)稱性分布橢圓孔的最高相對(duì)靈敏度為53.07%，明顯高于對(duì)稱型橢圓孔（2×4，約為48%）和正六邊形圓孔結(jié)構(gòu)（約為42%）［34］。

除了纖芯形狀以外，PBG-PCF氣體檢測(cè)的相對(duì)靈敏度和限制損耗與高折射率GeO2-SiO2纖芯環(huán)和圍繞其周圍的第一環(huán)空芯孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。在PBG-PCF結(jié)構(gòu)中引入摻Ge缺陷環(huán)結(jié)構(gòu)，可以借助其絕熱模式轉(zhuǎn)換特性極大地降低與單模光纖間的熔接損耗（0.22 d B）［35］。大直徑的空心孔可以有效提高相對(duì)靈敏度，降低限制損耗。通過將第一環(huán)空芯孔的形狀由圓形變?yōu)榱呅危蓪⒏喙鈱W(xué)能量束縛在纖芯環(huán)和第一環(huán)空芯孔內(nèi)傳播，并且甲烷在1.33μm波長(zhǎng)位置的光譜吸收效率增加了4倍（從3.25%～13.23%），限制損耗減低了265倍［36］。

針對(duì)以上評(píng)述的研究工作中所應(yīng)用的空芯微結(jié)構(gòu)光纖的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文對(duì)比分析了其相對(duì)靈敏度、傳輸損耗和最佳工作波長(zhǎng)位置，如表1所示。從近年來的相關(guān)研究進(jìn)展和相應(yīng)光纖結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能對(duì)比可以看出，常規(guī)PCF光纖的相對(duì)靈敏度的提高程度有限，并且大多數(shù)光信號(hào)截面被實(shí)心的光纖纖芯覆蓋，應(yīng)用于實(shí)際氣體傳感時(shí)難以得到理想的傳感靈敏度。盡管通過調(diào)制其包層多層晶體孔的結(jié)構(gòu)，獲得了72.04%的相對(duì)靈敏度增強(qiáng)，然而卻對(duì)PCF光纖提出了更為苛刻的要求；PBG-PCF的纖芯為空芯型，近年來相關(guān)結(jié)構(gòu)的相對(duì)靈敏度最高可以達(dá)到96.57%，也有個(gè)性化設(shè)計(jì)的纖芯結(jié)構(gòu)形式被提出，然而結(jié)構(gòu)參數(shù)的精細(xì)化程度要求更高，實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的偏差需要更深入的研究及論證。

表1 不同結(jié)構(gòu)PCF的光學(xué)特性對(duì)比Tab.1 Comparison of optical properties of PCF with different structures

3 表面吸收型PCF氣體傳感器

基于PCF設(shè)計(jì)的氣體激光光譜吸收傳感探頭可大致分為端頭反射式、光纖側(cè)面吸收等表面吸收型，如圖2所示。

最簡(jiǎn)單的干涉型PCF氣體檢測(cè)探頭，將一段PCF熔接在普通光纖尾端的Fabry-Perot反射腔結(jié)構(gòu)，其端面通常需要涂覆反射透氣型膜層（圖2（a））；另一類為透射型結(jié)構(gòu)，一段PCF熔接在兩段普通光纖中間（圖2（b）），可以借助光纖Bragg光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG，也被稱作一維光子晶體結(jié)構(gòu)）（圖2（c））、長(zhǎng)周期光纖光柵（Long Period Grating，LPG）（圖2（d））或熔融拉伸處理的雙錐型PCF光纖的倏逝場(chǎng)（圖2（e））實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)功能。

圖2 用于氣體表面吸收的不同PCF結(jié)構(gòu)Fig.2 Different PCF structures for gas surface absorption

3.1 端面反射干涉型氣體探頭

氣體分子光譜吸收過程中，光譜吸收強(qiáng)度主要依靠觀測(cè)特定波長(zhǎng)位置的激光功率衰減強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的標(biāo)定，結(jié)合一次諧波和二次諧波的諧波檢測(cè)技術(shù)可以有效消除部分噪聲干擾［37］，降低檢測(cè)誤差，但仍然難以擺脫強(qiáng)度檢測(cè)方法的弊端，檢測(cè)精度的提高程度有限。當(dāng)DFB光源使用正弦波形調(diào)制時(shí)，由朗伯-比爾定律可以推導(dǎo)出，氣體分子光譜吸收強(qiáng)度的二次諧波分量正比于氣體濃度，因此可以在二次諧波分量的強(qiáng)度幅值達(dá)到最大時(shí)，確定DFB激光器的最佳調(diào)制頻率［38］。該過程往往伴隨局部溫度、密度和壓力的變化，可構(gòu)建干涉型氣體吸收池，通過干涉光譜的相位變化信息實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)，有效消除激光功率不穩(wěn)定及環(huán)境因素影響引入的背景噪聲。最簡(jiǎn)單的干涉型結(jié)構(gòu)是將一小段PCF熔接到單模光纖端面構(gòu)成反射式氣體探頭，氣體通過開放的光子晶體空氣孔與光信號(hào)作用［39］。實(shí)驗(yàn)表明，它對(duì)氣體的檢測(cè)能力接近nmol量級(jí)［40］，可實(shí)現(xiàn)對(duì)10-12級(jí)揮發(fā)性有機(jī)物氣體的快速檢測(cè)（檢測(cè)時(shí)間<20 s）［41］。基于光譜吸收原理PCF氣體探頭的靈敏度一般與占空比成正比，但是干涉型PCF結(jié)構(gòu)中的多模干涉一般是由基模和二階模產(chǎn)生的，更高階次模式損耗極大，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中占空比又不宜過大。反射型PCF的端頭反射可以通過熔接其他實(shí)心光纖［42］或者涂覆反射膜層進(jìn)行設(shè)計(jì)，某些氣體敏感材料可以充當(dāng)反射膜層或者膜層摻雜材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的選擇性檢測(cè)。

3.2 光柵波長(zhǎng)調(diào)制型氣體探頭

PCF氣體吸收池也可以借助微納加工和鍍膜工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。不同氣體對(duì)應(yīng)的吸收波長(zhǎng)除了由特定的激光器提供，也可以通過在空芯光纖結(jié)構(gòu)內(nèi)部刻蝕特定周期的FBG，以得到特定波長(zhǎng)位置的光譜增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖芯傳輸基模光信號(hào)的波長(zhǎng)調(diào)控，同時(shí)借助高階模式傳輸特性及二者間的多模干涉效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)信息的同時(shí)感知，以提高探頭的選擇性［43］。FBG也可以充當(dāng)光反射鏡，用于構(gòu)建氣體分子吸收諧振腔，有效提高氣體檢測(cè)的靈敏度［44］。Yan等人結(jié)合FBG和PCF-FBG結(jié)構(gòu)構(gòu)建了諧振腔型氣體吸收光譜檢測(cè)探頭，實(shí)現(xiàn)了對(duì)乙炔氣體的檢測(cè)，得到的靈敏度為0.022 dB/%（即氣體濃度每增加1%對(duì)光功率的吸收損耗會(huì)增加0.022 dB）。單模光纖和PCF纖芯上需要采用準(zhǔn)分子激光器和掩膜版刻蝕相同周期的FBG結(jié)構(gòu)［45］。

PCF用CO2激光器熱熔法制備LPG，氣體通過熔接在PCF和單模光纖間空芯毛細(xì)管上的孔進(jìn)入PCF，實(shí)現(xiàn)對(duì)0～10 MPa氣體壓力的檢測(cè)［46］。鄭世杰等采用CO2激光器在PCF纖芯上刻蝕LPG來消除纖芯模式，將更多激光能量分離到包層空氣孔中，增加激光-氣體分子的作用面積［47］，同時(shí)在PCF端面鍍銀膜，與長(zhǎng)周期光柵一起形成氣體吸收腔，進(jìn)一步提高了氣體光譜吸收的作用距離。將上述結(jié)構(gòu)引入到摻鉺光纖激光環(huán)形激光器中，氨氣檢測(cè)靈敏度提高至17.3 nW/10-6。該工作中氣體吸收池的設(shè)計(jì)方法可為微小、緊湊的一體化光纖氣體探頭的研制提供借鑒。單亞鋒等人首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境搭建了實(shí)用化的分布式PCF-LPG瓦斯氣體傳感系統(tǒng)，PCFLPG可以有效增強(qiáng)PCF光纖探頭的溫度穩(wěn)定性，提高檢測(cè)精度，測(cè)試結(jié)果誤差低于10%［48］。

3.3 復(fù)合式結(jié)構(gòu)

通過加熱熔融拉錐或熔接技術(shù)可以設(shè)計(jì)多種新型的多光纖復(fù)合型結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)可以歸納為級(jí)聯(lián)光纖結(jié)構(gòu)，除了需要對(duì)PCF自身結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化外，還須考慮熔接光纖的類型、結(jié)構(gòu)、涂覆膜層的材料及封裝方式等［49］。熔融拉錐技術(shù)可用于制作雙錐形微米PCF，作為一種開放型光纖探頭，它可以借助光學(xué)倏逝場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的感知，并且可通過石墨烯、金屬納米粒子修飾進(jìn)行增敏［50］。經(jīng)過高溫熔融拉錐處理后，PCF的空氣孔會(huì)塌陷，光纖內(nèi)部的光信號(hào)會(huì)以倏逝場(chǎng)的形式逸出到光纖表面。通過將雙錐形PCF與單模光纖連接并修飾上石墨烯涂層，F(xiàn)eng等人研究了H2S氣體濃度從0～45×10-6變化時(shí)透射光譜的相位，得到的靈敏度為0.031 43 nm/10-6［51］。然而，此結(jié)構(gòu)中的光子晶體結(jié)構(gòu)完全塌陷，不能合理地利用其內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)氣體分子和束縛光場(chǎng)。

PCF與單模光纖熔接構(gòu)建微型馬赫-增德爾干涉儀，依靠PCF兩端熔接點(diǎn)凸錐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的分離和合束，通過纖芯基模與包層高階模模式干涉得到干涉光譜。PCF表面涂覆的金屬納米粒子和石墨烯功能膜層與氣體作用后的折射率改變量作用于包層高階模式影響干涉光譜相位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)H2S濃度的檢測(cè)限可以達(dá)到3.85×10-6［52］。通過將兩個(gè)不同臂長(zhǎng)的光纖干涉儀串聯(lián)熔接，可以獲得周期不同、疊加在一起的干涉光譜，進(jìn)而借助游標(biāo)效應(yīng)分析二者差異，極大地提高光纖傳感器的靈敏度。這種緊湊穩(wěn)定的PCF熔接光纖結(jié)構(gòu)已被證明具有極高的折射率傳感靈敏度（>30 000 nm/RIU）［53］，也為未來低檢測(cè)限光纖氣體傳感器的研制提供了借鑒。典型的PCF氣體傳感特性對(duì)比見表2。

表2 表面吸收型PCF氣體傳感器性能比較Tab.2 Performance comparison of surface absorption PCF gas sensors

近年來的相關(guān)研究表明，將PCF熔接在普通單模光纖端頭，或者采用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)PCF和普通單模光纖的低損耗耦合，形成一種極為簡(jiǎn)易的氣體傳感探頭。它的優(yōu)點(diǎn)是無需對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)壁開孔，大大降低了工藝難度，然而卻存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，氣體分子難以自由逸出等弊端。光柵結(jié)構(gòu)的引入，可以在PCF內(nèi)部構(gòu)建光學(xué)諧振腔，極大地提高氣體吸收效率和檢測(cè)靈敏度，但是光柵的制作必須依賴CO2和飛秒激光等高精密加工技術(shù)。復(fù)合型光纖結(jié)構(gòu)主要是借助不同類型光纖結(jié)構(gòu)和氣體敏感材料的特點(diǎn)，將多種光纖結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)以構(gòu)建高效率的氣體光譜吸收腔，通過氣體敏感材料涂覆提高氣體檢測(cè)的靈敏度和選擇性，為PCF型氣體探頭的靈活設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。該類結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)則主要依賴于光纖探頭設(shè)計(jì)過程中對(duì)各種類型光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及對(duì)修飾材料特性和膜層結(jié)構(gòu)的精確控制。

4 長(zhǎng)光程氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)光程PCF氣體檢測(cè)技術(shù)研究主要需要考慮氣體分子的交換效率問題，以縮短檢測(cè)時(shí)間。常用的光纖結(jié)構(gòu)如圖3所示，可以直接采用超長(zhǎng)的PCF光纖實(shí)現(xiàn)多種氣體的填充和測(cè)量，但是需要在如圖3（a）所示的大長(zhǎng)度PCF光纖上多位置打孔，或如圖3（b）中將多段PCF光纖串聯(lián)。此外，還可以通過圖3（c）的大空氣孔結(jié)構(gòu)來加快氣體分子在光纖內(nèi)的擴(kuò)散速度，包括圓孔陣列型、柚子型和單孔空芯毛細(xì)管型空芯微結(jié)構(gòu)光纖。

圖3 長(zhǎng)光程氣體檢測(cè)技術(shù)的PCF結(jié)構(gòu)Fig.3 PCF structures for long-path gas detection tech?nology

4.1 大長(zhǎng)度光纖氣體吸收池

在基于空芯光纖（Hollow Fiber，HF）或者PCF的透射型一體化光纖氣體探頭的設(shè)計(jì)中，需要借助飛秒激光器或者二氧化碳激光器在光纖側(cè)壁加工氣體交換孔。PCF可以在0.1 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)約為8.7×10-6低濃度的CH4氣體的快速響應(yīng)。如果對(duì)檢測(cè)速度要求不高，該檢測(cè)下限可以降低到1.4×10-6，對(duì)應(yīng)的平均響應(yīng)時(shí)間為10 s。HE等還提出通過在一段長(zhǎng)的PBGF打孔或者將多段短PBGF耦合串聯(lián)可以加快氣體擴(kuò)散速度［54］。Lehmann等人采用飛秒激光在空芯光纖帶隙光子晶體光纖（HC-PBGF）上加工微孔以構(gòu)建氣體進(jìn)出通道，其中需要注意飛秒激光的帶寬、功率、作用時(shí)間，以及光纖的固定、位置調(diào)節(jié)和透射功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等［55］。Hoo等人最早提出采用周期開窗PCF串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以在約1 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)濃度小于6×10-6乙炔氣體的快速檢測(cè)。然而，實(shí)際結(jié)構(gòu)的制作和傳感器設(shè)計(jì)過程中，還必須解決PCF與單模光纖的低損耗熔接、PCF開窗加工精度、開窗孔的氣體擴(kuò)散膜設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題［56］。

結(jié)構(gòu)開放的C型光纖直接熔接在單模光纖和PCF之間充當(dāng)氣體交換通道，從而有效提高此種探頭的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和制作重復(fù)性。Kassani等人通過實(shí)驗(yàn)證明，采用懸掛環(huán)芯型PCF的乙炔氣體檢測(cè)靈敏度是傳統(tǒng)PCF的4倍［57］。并且，氣體檢測(cè)的響應(yīng)時(shí)間和測(cè)量分辨率也得到顯著增加，懸掛環(huán)內(nèi)的圓形空氣孔表現(xiàn)出最佳的檢測(cè)性能。當(dāng)其形狀為橢圓形時(shí)，對(duì)濃度約為0.5%乙炔氣體的響應(yīng)時(shí)間為18.3 min，略低于圓形結(jié)構(gòu)的16.4 min［58］。

采用785 nm的激發(fā)光和一段30 cm長(zhǎng)的PCF，通過分析拉曼光譜變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體濃度（0.04%濃度的CO2和甲苯）的有效檢測(cè)［59］。這種方式提供了一種最簡(jiǎn)單的氣體探頭（僅是一段PCF）和更接近可見光波長(zhǎng)的氣體傳感技術(shù)。但是拉曼光譜分析技術(shù)極大地拉高了該器件的成本，難以實(shí)現(xiàn)低成本原位氣體監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

大長(zhǎng)度光纖傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，多種附加因素的引入會(huì)嚴(yán)重影響光譜信號(hào)的信噪比。首先，長(zhǎng)程PCF加工的多個(gè)氣體交換通道，或者多段PCF探頭串聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將極大地削弱光信號(hào)強(qiáng)度。在不同光纖熔接位置引入的光學(xué)耦合功率損耗方面，馮巧玲等人通過將5 m長(zhǎng)的PCF與單模光纖熔接設(shè)計(jì)了低壓填充氨氣參考?xì)怏w吸收池，得到的功率損耗低于3.5 dB［60］。王海賓等人設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度為20 m的PCF低壓CO2氣體腔，通過單模光纖熔接和大數(shù)值孔徑的多模光纖接收信號(hào)光，有效地將功率損耗降低到3.5 d B［61］。其次，僅僅采用PCF氣體光纖探頭與傳統(tǒng)的空間光路集成的光學(xué)系統(tǒng)存在多個(gè)光學(xué)耦合部件，極易受到環(huán)境氣體擾動(dòng)的影響，需要借助系統(tǒng)的全光纖化設(shè)計(jì)來優(yōu)化傳感系統(tǒng)的性能。Piotr等人首次將1 m長(zhǎng)的七孔PCF（單孔直徑約為55μm）引入到TDLAS系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)笨重的光學(xué)吸收池，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CH4和CO2的同時(shí)檢測(cè)，對(duì)應(yīng)的光譜吸收峰位置分別為3.334μm和1.574μm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的檢測(cè)下限分別為24×10-12和144×10-6［62］。該 工 作 中 詳 細(xì) 分 析 和 討 論 了PCF用于氣體檢測(cè)的多模干涉效應(yīng)和氣體吸收光程過短等問題。

4.2 探頭嵌入式光纖環(huán)吸收氣池

Zhang等人最早在2004年采用摻鉺光纖環(huán)激 光 器（Eribium Doped Fiber Ring Laser，ED?FRL）搭建光纖相干光譜氣體傳感器，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的激光光譜吸收空間光路系統(tǒng)［63］。該環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)還可以引入Fabry-Perot濾波器和FBG，PCF用來有效提高氣體與激光作用距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的氣體吸收靈敏度相對(duì)于單程腔可提高91倍。相對(duì)單波長(zhǎng)工作模式，雙波長(zhǎng)EDFRL經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以將乙炔檢測(cè)的靈敏度增加6.44倍，得到了10.42×10-6V的檢測(cè)下限［64］。Sagnac環(huán)濾波被首次應(yīng)用到環(huán)形光纖激光系統(tǒng)中，用于串聯(lián)多個(gè)PCF探頭實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)探測(cè)功能?；诟缮婀庾V的模式補(bǔ)償效應(yīng)，在1 532.83 nm和1 534.10 nm處實(shí)現(xiàn)了對(duì)濃度為1%乙炔的激光吸收光譜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)的探測(cè)靈敏度分別為398×10-6V和1 905×10-6V［65］。Sagnac及光纖環(huán)反射鏡等環(huán)形結(jié)構(gòu)的引入，可以極大地增加氣體分子的等效吸收光程，在保證氣體傳感性能的同時(shí)簡(jiǎn)化全光纖氣體激光光譜吸收系統(tǒng)。摻鉺光纖則進(jìn)一步保證了環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)的光信號(hào)強(qiáng)度，補(bǔ)償長(zhǎng)距離光纖傳輸?shù)膿p耗。

4.3 大空氣孔徑光纖氣體傳感器

PCF內(nèi)部空氣孔過小和長(zhǎng)度過長(zhǎng)，均會(huì)降低氣體分子的擴(kuò)散速度。陸維佳等人結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)對(duì)比了自由擴(kuò)散和壓差作用下CH4氣體的響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)一步完善了相關(guān)理論模型。PCF氣體檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需要考慮所使用激光器的光束發(fā)散角、輸出功率，以及光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及光學(xué)性能優(yōu)化等問題［66］。

大孔徑的氣體傳輸和檢測(cè)通道更有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程中的氣體交換。Gui等人選用的柚子型PCF［67］，其空芯直徑和周圍六孔直徑分別為33μm和73μm，采用飛秒激光貫穿光纖側(cè)壁到外圍的6個(gè)孔洞，可以分別構(gòu)建6條獨(dú)立的氣體傳輸通道。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該探頭可以在15 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)0～5%乙炔氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè)，單位氣體濃度變化引起的特征波長(zhǎng)位置的光功率變化率為2.27×10-3d B/10-6。進(jìn)一步，通過空分復(fù)用技術(shù)和8個(gè)光電開關(guān)設(shè)計(jì)了5個(gè)位點(diǎn)不同濃度氣體的分布式檢測(cè)系統(tǒng)。類似的微結(jié)構(gòu)光纖可稱為Kagome型結(jié)構(gòu)，也在其他工作中被多次應(yīng)用［68］。Yao等人將單環(huán)8毛細(xì)管陣列微結(jié)構(gòu)光纖引入TDLAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CO的高靈敏度檢測(cè)［69］，響應(yīng)時(shí)間縮短到5 s以內(nèi)。然而，以上系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)仍為獨(dú)立、并列工作的單點(diǎn)氣體探頭的簡(jiǎn)單集成，多個(gè)單頭實(shí)際是無法同時(shí)工作的。Zhao等人采用類似的7毛細(xì)管陣列微結(jié)構(gòu)光纖完成了全光纖乙炔傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證［70］。Hansel等人也提出了全光纖集成的氨氣傳感系統(tǒng)［71］，將光電探測(cè)器、光源和集成電路通過各種光學(xué)耦合器和復(fù)用器連接起來，為全光纖TDLAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

在大空氣孔光纖氣體傳感器的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成方面，需要通過單光纖多通道融合和多光譜分析技術(shù)來研制更為緊湊的高性能、一體化分布式氣體探頭，如通過在多個(gè)通道的不同位置加工氣體交換通道，以及不同氣體通道的內(nèi)壁選擇性材料修飾來獲得多種氣體或多種濃度氣體的分布式監(jiān)測(cè)。

5 結(jié) 論

PCF可以作為光流體通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)模式的高效束縛，同時(shí)其天然的空氣孔結(jié)構(gòu)沿光信號(hào)傳輸方向提供了氣體流動(dòng)通道，是未來緊湊型、集成化氣體激光光譜檢測(cè)傳感器的主要研究對(duì)象。本文綜述了近年來PCF氣體檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展，主要從PCF自身結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化（晶體結(jié)構(gòu)、尺寸及分布形式）、PCF氣體傳感探頭設(shè)計(jì)（檢測(cè)原理、探頭結(jié)構(gòu)及光學(xué)模式調(diào)控）和整體氣體檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化（系統(tǒng)噪聲、應(yīng)用環(huán)境及分布式傳感）等角度進(jìn)行分析和討論。在PCF結(jié)構(gòu)或探頭設(shè)計(jì)上，需要綜合考慮光纖彎曲曲率、長(zhǎng)度、內(nèi)徑、待測(cè)氣體濃度、光源發(fā)散角及光場(chǎng)能量分布等對(duì)檢測(cè)效果的影響。在系統(tǒng)層面對(duì)PCF類氣體傳感器的優(yōu)化，還應(yīng)考慮光電器件零點(diǎn)漂移對(duì)傳感性能的影響。多探頭差分檢測(cè)可以有效消除溫度、濕度等非其他環(huán)境因素的干擾，提高檢測(cè)結(jié)果精確度。未來，有望采用mm級(jí)和125 μm的變徑光纖實(shí)現(xiàn)大孔徑PCF光纖與傳統(tǒng)單模光纖的熔接，以構(gòu)建光纖一體化氣體探頭。PCF氣體激光光譜檢測(cè)技術(shù)仍然需要依賴?yán)碚搶用娴慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，確保纖芯光場(chǎng)模式>90%束縛傳輸；以及實(shí)驗(yàn)方面的傳感性能改善，包括將其相對(duì)靈敏度提高到>60%，提高對(duì)多組分氣體的選擇性檢測(cè)。同時(shí)，在檢測(cè)系統(tǒng)角度需要進(jìn)一步提高氣體交換效率，以獲得<10 s的響應(yīng)速度，滿足對(duì)氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。此外，還必須解決氣體檢測(cè)系統(tǒng)的全光纖化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)與常規(guī)125μm直徑單模光纖間的熔接，搭建全光纖監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在檢測(cè)信號(hào)的有效提取方面，需要結(jié)合諧波探測(cè)技術(shù)、干涉光譜相位解調(diào)技術(shù)和差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來有效消除環(huán)境噪聲的干擾。