利用光纤尖端微腔直接激光写入超薄且可扩展的光机械膜，用于多气体光声光谱学研究

《Laser & Photonics Reviews》：Direct Laser Writing of Ultrathin and Scalable Optomechanical Membranes in Fiber-Tip Micro-Cavities for Multi-Gas Photoacoustic Spectroscopy

微型光纤光声光谱传感器通过高精度激光直写技术制备微腔结构，实现多气体协同检测。实验采用三微腔集成探针（直径300μm）同步检测乙炔、二氧化碳和水蒸气，乙炔检测限达258ppb，响应时间28ms，通过机械谐振增强光声信号。该紧凑型光纤器件在爆炸物监测和医疗诊断领域具有应用前景。

　　

摘要

具有高灵敏度和紧凑结构的光纤声学传感器推动了微型光声光谱技术的发展，使其在原位和实时痕量气体检测中具有广泛应用前景。然而，受限于制造精度和可扩展性，目前还无法合理设计用于亚ppm级检测限的多气体检测的微型光纤光声光谱系统。本研究采用高精度直接激光写入技术制备了具有超薄且可扩展光机械膜的纤端Fabry–Pérot微腔，以实现微型多气体光声光谱检测。该制造技术能够灵活精确地制备出亚微米厚的膜结构。通过调节膜的大小，可以基于频率复用方案调整其共振频率，从而实现多气体光声检测。作为概念验证，研究人员使用三个微腔组装了一个直径约300微米的光声微探头，用于同时检测包含乙炔（C₂H₂）、二氧化碳（CO₂）和水蒸气（H₂O）的气体混合物。对于乙炔（C₂H₂），通过利用膜的机械共振效应放大光声信号，实现了258 ppb的高检测灵敏度和约28毫秒的快速响应时间。这种紧凑的纤端结构具备原位和快速多组分气体检测的能力，有望应用于爆炸性气体监测和医学诊断等广泛领域。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据获取声明

如需获取支持本研究结果的数据，可向通讯作者提出合理请求。