基于异频干涉光热光谱技术的温度补偿型ppb级甲烷检测系统，应用于空心芯反谐振光纤中

《Optics & Laser Technology》：Temperature-compensated ppb-level methane detection system based on heterodyne interferometric photothermal spectroscopy in a hollow-core antiresonant fiber

基于空心芯抗反射光纤的异频干涉光热光谱法检测甲烷，通过1.65 μm泵浦激光扫描6046.9 cm?1吸收线，1.55 μm窄线宽探针激光监测相位变化，生成70 MHz拍频信号。采用两阶段解调（相位-幅度）消除环境干扰，系统在120 cm光纤中实现6 ppb噪声等效浓度，NEA系数达2.2×10?? cm?1，温度补偿模型有效抑制环境漂移，动态范围1.7×10?，响应时间3秒。

　　在当前全球环境问题日益严峻的背景下，甲烷（CH?）作为一种强效的温室气体，其排放控制对减缓全球变暖具有重要意义。甲烷在大气中的浓度持续上升，主要归因于自然湿地和化石燃料开采等人为因素。因此，开发高灵敏度、高稳定性和适用于复杂环境的甲烷监测系统成为研究的重点。传统方法如电化学传感器、纳米颗粒传感器和质谱传感器虽然在某些场景中具有应用价值，但它们普遍面临诸如灵敏度低、选择性差、能耗高以及成本昂贵等问题，限制了其在实际监测中的广泛使用。

为克服上述局限，近年来研究者们探索了多种替代技术，其中调制激光吸收光谱（TDLAS）因其具备实时、原位检测能力，且具有良好的选择性和长期稳定性而受到关注。TDLAS技术基于目标气体分子的特定吸收线，能够实现高精度的识别和量化。然而，该技术在实际应用中仍存在一定的局限，例如由于激光功率波动引起的背景噪声问题，以及在检测过程中需要对环境扰动进行主动补偿。

在此基础上，光热光谱（PTS）技术因其能够通过检测吸收引起的相位变化来实现背景噪声的抑制，以及更宽的动态范围而展现出更大的潜力。PTS通常采用泵-探针配置，其中泵激光通过光子吸收激发分子的振转跃迁，使分子进入高能态，随后通过非辐射弛豫过程释放能量，导致局部加热。这种加热会改变介质的折射率，从而在探针光的传播路径上产生光学相位变化。通过干涉技术，可以对这一相位变化进行测量，从而实现对气体的检测。

然而，传统的干涉配置，如马赫-曾德尔干涉仪（MZI）和法布里-珀罗干涉仪（FPI），通常需要主动调节以抵消环境变化带来的相位漂移。为了确保系统在四象限点的稳定运行，通常需要使用压电晶体来调整干涉臂的光程。这种主动补偿机制增加了系统的复杂性和运行成本，限制了其在某些应用场景中的适用性。

相比之下，异步干涉仪（HI）技术通过利用异步信号的相位解调，能够在无需主动补偿的情况下实现稳定的相位检测。异步干涉仪通过在光信号中引入一个频率为70 MHz的信号，形成异步信号的拍频，从而能够对光热效应引起的相位变化进行解调。这一技术具有较高的稳定性和较低的背景噪声，因此在痕量气体检测中展现出显著优势。

本研究提出了一种基于异步干涉光热光谱（HI-PTS）的甲烷检测系统，该系统能够在皮尔伯（ppb）级别上实现高精度的甲烷浓度测量。系统采用了一种120 cm长的空芯抗谐振光纤（HC-ARF）作为气体检测单元，具有紧凑的结构和良好的光-物质相互作用能力。为了实现温度补偿，系统设计了一种补偿模型，能够有效抵消气体温度变化引起的相位漂移，从而提高测量精度和系统稳定性。

在实验设置方面，系统采用了一种双阶段解调方案。泵激光在1.65 μm波长范围内扫描甲烷的吸收线，而探针激光则在1.55 μm波长下用于检测吸收引起的相位变化。泵激光通过一个宽谱线宽的探针激光进行耦合，并在HC-ARF的输入端进行耦合。系统利用一个射频信号发生器生成70 MHz的信号，用于形成异步信号的拍频。该拍频信号通过一个锁相放大器进行解调，以提取光热信号。在解调过程中，首先将拍频信号从70 MHz下移到100 kHz，以匹配锁相放大器的带宽。随后，通过两个锁相放大器分别进行相位和幅度解调，以进一步提高信号的信噪比（SNR）。

在实验结果方面，系统对调制深度和调制频率进行了优化。通过调整泵激光的调制深度，系统在不同调制深度下测量了光热信号的幅度，并选择了能够最大化信噪比的调制深度。在调制频率优化方面，系统在不同频率下测量了信号幅度，并确定了最佳的调制频率。结果表明，系统在4 kHz的调制频率下能够实现较高的信噪比，从而提高检测精度。

此外，系统还对泵激光的输入功率进行了研究。通过改变泵激光的输入功率，系统测量了光热信号的幅度，并发现信号幅度与泵激光功率之间存在线性关系。同时，系统对探针激光的输入功率进行了测试，结果表明在探针激光功率变化的情况下，光热信号的幅度保持稳定，从而提高了系统的鲁棒性。

在温度补偿方面，系统通过改变气体温度来测试光热信号的幅度变化。结果表明，随着温度升高，信号幅度下降，这可以归因于高温下基态分子的减少，从而降低了光吸收。通过建立一个温度补偿模型，系统能够有效校正温度变化引起的相位漂移，从而提高测量精度。

在动态范围和响应时间方面，系统通过测试不同浓度的甲烷气体，验证了其在不同浓度下的线性响应能力。结果表明，系统在1%以下的浓度范围内具有良好的线性响应，而超过该浓度时，信号出现非线性。这可能是由于高温下光吸收和热传递的饱和效应。通过调整系统参数，系统能够实现更宽的动态范围和更快的响应时间。

在长期稳定性方面，系统通过使用艾伦-沃勒偏差分析（Allan-Werle deviation analysis）评估了其稳定性。结果表明，随着积分时间的增加，系统的噪声等效浓度（NEC）下降，达到6 ppb，这表明系统具有良好的长期稳定性。此外，通过测试不同浓度的甲烷气体，系统验证了其在不同浓度下的线性响应能力，表明其具有良好的动态范围。

综上所述，本研究提出的基于异步干涉光热光谱（HI-PTS）的甲烷检测系统，具有高灵敏度、高稳定性和良好的温度补偿能力。该系统能够在皮尔伯级别上实现高精度的甲烷浓度测量，适用于复杂环境中的监测需求。通过优化系统参数，系统能够实现更宽的动态范围和更快的响应时间，为实际应用提供了坚实的技术基础。