实时可调谐法布里-珀罗微腔增强气体吸收光谱技术研究

《Optics & Laser Technology》：Real-Time continuously tunable Fabry-Pérot microcavity for enhanced gas absorption

本研究针对痕量气体检测中吸收信号弱、传统微纳结构存在工作波长固定、多波段适应性差及制造成本高等瓶颈，开发了一种连续可调谐法布里-珀罗（FP）微腔平台。该平台可实现低至10 μm的腔长精确调控（精度达400 nm），并展现出优异的机械稳定性。实验证实其对甲烷（CH4）和乙炔（C2H2）分子的检测灵敏度分别提升6倍和4倍，仿真与实验结果均表明缩短腔长可进一步提高灵敏度。该FP微腔平台兼具实时监测与多特征光谱区同步检测能力，为实际传感应用提供了高效、灵活的解决方案。

　　

在大气污染监测和医疗健康等领域，对痕量气体的精准检测需求日益迫切。吸收光谱（Absorption Spectroscopy）作为一种基础且高效的分析技术，发挥着关键作用。然而，复杂环境中低浓度分析物的准确识别仍面临诸多技术瓶颈，尤其是痕量气体和分子污染物因其特征吸收信号极其微弱，对检测技术的灵敏度和分辨率提出了苛刻要求。传统的灵敏度增强策略主要依赖于微纳加工平台，如超材料（metamaterials）和光子晶体（photonic crystals）。这些方法虽能通过局域场限制效应有效增强光与物质的相互作用，但在实际应用中存在明显局限：工作波长固定、光谱可调性差限制了其在多波段检测中的适用性；复杂的制造工艺和高成本则阻碍了其规模化和商业化。这些短板在需要考虑实际灵活性和生产成本时显得尤为突出。

为了突破这些限制，来自华中科技大学电气与电子工程学院的Mengqi Li、Xiaosheng Peng、Xudong Peng、Kai Wang和Xiaobo Han研究团队在《Optics》上发表了一项创新研究，他们开发了一种基于连续可调谐法布里-珀罗（Fabry–Pérot, FP）微腔的新型传感方案，旨在显著提升气体吸收检测的灵敏度。

研究人员为开展此项研究，主要运用了几项关键技术：首先，设计并搭建了高精度的FP微腔平台，其核心是由两个平行金（Au）镜面构成的空气间隙腔，镜面通过在高精度线性平移台上进行三维调整来实现连续腔长调谐（精度达400 nm）和镜面平行度控制。其次，利用傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）系统进行气体透射光谱的测量和分析。此外，还结合了二维有限元电磁仿真（COMSOL Multiphysics）来深入探究微腔内的电场增强机制和灵敏度提升的内在规律。实验中所用的气体样本（如CH₄和C₂H₂）通过定制的气体池进行控制，并使用质量流量控制器（Mass Flow Controller, MFC）精确调节气体流速。

FP微腔的设计与表征

研究人员设计了一种无间隔物的FP微腔，由两个溅射有10 nm厚Au膜的氟化钙（CaF₂)窗口构成。该微腔安装在一个结合了三维平移台和高精度Z轴平移台的笼式系统中，实现了腔长从30 μm到250 μm甚至1 mm的连续可调，调谐分辨率高达6 cm^-1。通过分析透射光谱的自由光谱范围（Free Spectral Range, FSR）来确定腔长。表征结果显示，该微腔具有良好的机械稳定性（长时间漂移小于10 cm^-1）和热稳定性。随着腔长缩短，微腔的品质因子（Q-factor）从200（250 μm腔长）降低至33（30 μm腔长），这与光程往返的相位积累理论相符。虽然实验测得的Q因子（约50）低于仿真理想值（约500），这主要归因于实际制造中镜面平行度偏差和表面粗糙度等非理想因素。

CH₄气体检测与灵敏度增强

在甲烷检测实验中，研究人员首先测量了无FP腔的140 μm气体池中CH₄在3017 cm^-1处的特征吸收。随后引入FP微腔，并通过精确调谐腔长使其谐振峰与CH₄吸收峰匹配。结果表明，当共振匹配时，检测灵敏度（定义为δT/T₀ = (T_Ar-T_CH4)/T_Ar）显著提升，增强因子（Enhancement Factor, EF）最高达到6倍。实时调谐实验清晰地展示了共振匹配对优化灵敏度至关重要，仅8 cm^-1的失谐就会导致灵敏度大幅下降。浓度响应测试进一步表明，10 μm FP腔系统将CH₄的检测限从无腔系统的30%提升至3.5%，实现了近一个数量级的改善。

增强机制的仿真分析

为了阐明FP微腔的增强机制，研究团队进行了电磁仿真。仿真结果再现了实验观察到的透射光谱特征，并揭示了在20 μm腔长的微腔内，3017 cm^-1处存在3.2倍的电场增强，形成了典型的驻波干涉图样。灵敏度调谐仿真表明，在39.4–39.8 μm的腔长范围内进行微调，灵敏度可从低于20%变化至最高70%，再次验证了严格共振匹配的必要性。仿真还指出，更高的Q因子腔虽然需要更精确的波长匹配，但能带来更优的检测极限。

腔长依赖性与普适性研究

通过系统改变腔长，研究人员发现，无FP腔时，检测灵敏度与腔长（即气体吸收路径长度）呈线性关系，符合比尔-朗伯定律（Beer-Lambert law）。然而，在FP腔存在的情况下，灵敏度与腔长不再呈简单的线性关系，增强因子EF与腔长呈反比关系。在20 μm的短腔中，尽管Q因子较低（约20），却获得了最高的EF（7倍）。这表明在微尺度样品（如短光程限制的痕量气体）检测中，微腔的场局域增强效应起着主导作用。仿真进一步证实，EF随腔长减小而增大（从250 μm到10 μm，EF提升2.2倍），并且随气体浓度（通过模拟振荡强度变化来体现）降低而增大，说明FP腔对低浓度样品的灵敏度提升尤为显著。

C₂H₂检测验证平台宽带适用性

为了验证FP微腔平台的宽带可调谐性和多物种检测适应性，研究团队对乙炔（C₂H₂）进行了检测。在50 μm气体池中，C₂H₂在3200–3360 cm^-1范围内显示出具有转动精细结构的特征吸收谱线（ν₃振动模）。引入FP微腔并调谐至共振后，在3320 cm^-1处观察到明显的吸收增强，检测灵敏度从无腔时的4%提升至16%，EF达到4倍。同样，EF与腔长的反比关系在C₂H₂体系中也得到验证，表明了该增强规律的普适性。

本研究成功开发并验证了一种基于连续可调谐FP微腔的高灵敏度气体检测平台。该平台的核心优势在于其能够通过精确的腔长控制，实现宽带光谱范围内的共振匹配，从而利用腔的场局域增强效应和高Q因子特性，显著放大气体分子的振动吸收信号。实验结果表明，该技术对CH₄和C₂H₂等多种气体均能实现数倍的灵敏度提升，且增强效果在短腔和低浓度条件下更为突出。仿真与实验共同揭示了灵敏度增强主要源于Q因子放大、模体积限制以及光谱重叠优化三者的协同作用，并确立了增强因子与腔长成反比（EF ∝ 1/L）的普遍规律。

这项研究的重要意义在于，它提供了一种通用、灵活且成本相对较低的灵敏度增强方法，而非一种全新的光谱技术。该FP微腔平台可与光声光谱（photoacoustic spectroscopy）、可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）等多种现有吸收光谱技术兼容，有望在现有检测水平上进一步提升灵敏度。更重要的是，FP微腔的平面几何结构和可调谐特性使其易于与其他光子结构（如超表面阵列）集成，形成混合腔，从而在气固界面实现更强的局域场增强，为未来迈向单分子检测极限的微型化气体传感器开辟了新的道路。总之，这项研究为解决痕量气体检测中的灵敏度瓶颈问题提供了一个极具潜力的技术平台，展示了FP微腔在实用化高灵敏度传感领域的广阔前景。