受生物启发的、抑制模式噪声的离轴集成腔体，用于快速动态气体检测

《ACS Sensors》：Bioinspired Mode-Noise Suppressed Off-Axis Integrated Cavity for Rapid Dynamic Gas Detection

提出一种仿生尾鞭结构的非对称腔体（OAIC），通过双切向进气口优化，降低模式噪声2.54倍，缩短气体交换时间至12秒，检测限达34.4 ppt，并提升长期稳定性，可扩展至其他共振腔。

　　

本文提出了一种创新的离轴集成腔（OAIC）设计，该设计模仿了细菌的尾鞭毛结构，旨在解决传统OAIC中由于气流场不均匀导致的模式干扰噪声和气体交换速度慢的问题。据我们所知，这种被称为“仿生模式噪声抑制OAIC”的腔体设计概念首次将腔体增强光谱技术与仿生设计相结合。通过将气体入口重新设计为一对仿生结构的切向入口，原本的湍流被转化为类似细菌鞭毛的旋转切向流，从而引导流体流动。利用基于遗传算法的多目标优化技术对仿生OAIC的参数进行优化，使得腔体内的流体流动更加有序且均匀，同时降低了激光与气体之间的相互作用噪声。在200–1500 sccm的流量范围内，该仿生OAIC并未出现明显的浓度波动；在800 sccm的流量下，其光学模式噪声水平降低了2.54倍。整个气体交换时间缩短至12秒。艾伦偏差分析显示，该仿生OAIC的检测限可达34.4万亿分之一（ppt），平均检测时间为13.5秒。由于气流波动得到抑制且模式噪声被最小化，该设计在连续高流量气体检测中表现出良好的长期稳定性。这种仿生设计概念也可应用于其他用于流体测量的共振腔体的制造中。