微尺度固有光纤模式维尼尔光热光谱气体传感技术

《Laser & Photonics Reviews》：Microscale Intrinsic Fiber Mode Vernier Photothermal Spectroscopy Gas Sensing

本研究提出基于双模反共振布拉格空心光纤的法布里-珀罗干涉仪构型，通过优化拼接工艺和模式能量比调控双模Vernier效应，实现甲烷检测极限12 ppb。采用悬空芯光纤构建气体通道，结构紧凑（0.8 nL空芯）且信噪比优化，为高灵敏度气体传感提供新方案。

　　

摘要

光学Vernier效应显著提高了光纤传感器的灵敏度和分辨率，尤其是在Fabry–Pérot干涉仪（FPI）中。本研究提出了一种基于双模抗共振布拉格空心芯光纤（BHCF）的新型Vernier光热光谱技术（MV-PTS），该光纤与单模光纤和悬浮芯光纤（SCF）拼接在一起构成FPI。双模配置使得单个FPI内部能够实现Vernier效应（MVE），从而提升了光热相位解调的灵敏度。通过对BHCF和SCF进行偏心拼接，可以调节双模能量比以增强MVE效果，并同时构建一个用于直接检测微量气体的通道。通过监测这两种模式的相位差，可以最小化共模噪声，从而获得较高的光热信号信噪比。激发和解调过程发生在体积仅为0.8纳升的空心芯内，提高了能量转换效率。这种基于1毫米长BHCF的F-P腔体对乙炔气体的检测限可低至十亿分之一（ppb），表现出快速响应能力和长期稳定性。这种紧凑的传感器设计克服了在传统光纤结构中实现超灵敏气体检测时遇到的挑战，尤其是在光与物质相互作用长度有限的情况下，为气体传感应用带来了广阔前景。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。