编辑推荐：
光热光谱技术综述及未来展望；光热光谱（PTS）在气体检测中的应用，分析光学干涉仪与信号增强方法。
作者：朱磊、万福、白耀天、孙宏成、吴永琪、陈伟根
单位：重庆大学电气工程学院电力传输设备技术国家重点实验室，中国重庆400044
摘要
超灵敏的微量气体检测在环境保护、医学诊断和电气设备状态监测等领域具有至关重要的应用价值。光热光谱（PTS）以其高灵敏度、大动态范围和无背景操作的特点，成为一种非常有前景的微量气体传感方法。在本文中，我们从两个关键角度回顾了PTS气体传感技术的进展：常用的光学干涉仪和信号增强方法。主要讨论的光学干涉仪包括马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder）、法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Pérot）、萨尼亚克干涉仪（Sagnac）和光纤模态干涉仪。信号增强方法包括腔体增强、光纤增强、石英音叉增强和片上波导增强。这些干涉仪配置和增强方法共同推动了高精度的光热检测技术的发展。最后，我们概述了在现有基础上进一步改进PTS气体传感技术检测性能的未来研究方向。这项工作为未来开发出坚固、灵敏且用户友好的气体分析仪器奠定了基础。
引言
超灵敏的微量气体检测在环境保护[1]、医学诊断[2]和电气设备状态监测[3]中发挥着关键作用。传统的微量气体检测方法主要是非光学的，例如气相色谱法和金属氧化物半导体传感器。气相色谱法通过色谱柱分离组分，具有出色的选择性和高灵敏度。然而，它需要复杂的仪器和操作者的专业知识来进行操作和维护。此外，实验室中的样品预处理过程繁琐，导致高通量检测效率低下。这些因素限制了其实时监测能力[4]。与气相色谱法相比，金属氧化物半导体传感器成本较低且更为紧凑。然而，它们的实际应用仍受到选择性较差和性能提升需求的限制[5]。为了解决这些问题，基于MOF（金属有机框架）的材料因其可调的孔结构和化学组成而受到了关注。例如，掺钼的Co3O4可用于选择性检测CO[6]，掺铟的Co3O4纳米花可用于低浓度H2S的检测[7]，掺镧的ZnO多面体可用于提高NO2的灵敏度和选择性[8]，掺钴的ZnO/ZIF-8纳米棒阵列可用于高效检测丙酮[9]。尽管取得了这些进展，但这些传感器通常需要较高的工作温度和较长的恢复时间。因此，当前的研究致力于寻找创新策略，以在保持高性能的同时降低温度和恢复时间。近年来，激光吸收光谱作为一种新型微量气体检测技术应运而生，具有高灵敏度、优异的选择性和快速响应特性。目前主流的吸收光谱技术包括傅里叶变换红外光谱[10]、差分光学吸收光谱[11]、可调谐二极管激光吸收光谱[12]、光声光谱[13]和PTS[14][15][16]。
与其他直接测量泵浦光通过样品后衰减的吸收光谱技术不同，PTS基于辐射吸收在样品中引起的热状态变化，因此是一种间接测量方法。PTS的研究可以追溯到20世纪70年代，最初主要用于测量薄固体和液体的吸收特性。PTS具有响应速度快、灵敏度高和动态范围大的优点[17]。此外，PTS没有明显的背景吸收噪声，其光学路径不需要复杂的校准。自20世纪80年代以来，PTS逐渐应用于气体检测并快速发展[18]。在PTS中，泵浦激光照射目标气体，部分光能被气体分子吸收。非辐射弛豫使这些能量加热分子，形成温度最高的圆柱形相互作用区域，随着距离泵浦光束中心的增加而降低。这会加热气体，改变其密度和压力等性质，从而导致折射率（RI）的变化。RI的变化可以通过PT透镜效应[19]、PT偏转[20]、PT衍射[21]和PTI[22]等技术检测到。由于RI变化非常小（约10?9），PTI因其灵敏度而被优先用于PTS气体传感器。通常，一个光学干涉仪臂置于气体介质中。泵浦光和探测光共同穿过气体，气体分子的吸收会导致局部RI变化，从而引起探测光相位变化。当探测光与干涉仪另一臂的参考光干涉时，这种变化表现为强度变化[23]。PTS中常用的光学干涉仪包括MZI（马赫-曾德尔干涉仪）、FPI（法布里-珀罗干涉仪）、SI（雪崩干涉仪）和FMI（光纤模态干涉仪）。尽管PTI提高了检测灵敏度，但有限的泵浦-气体相互作用长度和光束发散限制了PTS在微量气体检测中的应用[24]。为了进一步降低气体检测限，研究人员增加了相互作用长度和泵浦功率。常见的增强方法包括腔体增强、光纤增强、石英音叉增强和片上波导增强。
PTS中使用了多种类型的光学干涉仪，每种都有其独特的优点和缺点。然而，文献中缺乏对这些干涉仪的系统性总结或比较分析。常见增强方法的原理和特性也存在显著差异，现有文献尚未提供对这些方法的全面综述。为了推动PTS气体传感技术的发展，本文回顾了该领域的主要研究进展。首先，我们阐明了PTS的基本原理。接下来，我们对广泛使用的光学干涉仪进行了比较评估。然后，我们介绍了在气体传感应用中增强PT信号的方法。最后，我们总结了PTS气体传感技术的主要研究进展，并展望了未来的发展方向。
气体吸收中的光谱线理论
所有气体分子内部都在不断进行随机运动。根据现代量子力学理论，分子运动的主要形式可以分为三种：电子在原子核周围不规则运动；原子核在其平衡位置附近振动；以及整个分子绕其质心旋转。这些运动对应于不同的量子化能量状态，即电子运动、振动运动和旋转运动。
PTS中常用的光学干涉仪
PTS中的微小相位变化可以通过光学干涉仪精确测量，这些干涉仪也被称为干涉式传感器。其工作原理依赖于分束器将入射光分为两路：一路作为参考光，另一路作为探测光。参考光沿固定光路传播，并通过镜子或光纤返回。探测光穿过待测介质或经历物理扰动，如RI变化、温度或压力变化。
腔体增强
公式（7）表明，PT相位移动幅度与相互作用长度和吸收的泵浦光功率成线性关系。因此，通过将泵浦光耦合到高反射率的腔体中，可以提高PTS气体传感器的灵敏度。在这种配置下，多次反射会持续放大泵浦光与气体分子之间的相互作用，从而降低检测限。本节介绍了三种不同类型的谐振器。
结论与未来展望
在本综述中，我们总结了PTS在气体传感应用方面的最新进展。基于PTS的气体检测可以通过多种干涉仪配置实现。MZI具有高灵敏度和大动态范围，但容易受到外部扰动的影响。需要反馈控制来稳定正交操作点，以便使用PZT（压电晶体）或AOM（声光调制器）实现最佳的线性相位-强度转换。FPI结构简单，响应速度快。
CRediT作者贡献声明
朱磊：撰写原始稿件、监督、项目管理、数据管理。
万福：撰写、审稿与编辑、研究调查、资金筹集。
白耀天：撰写、审稿与编辑、监督、数据管理。
孙宏成：撰写原始稿件、数据管理、概念构思。
吴永琪：撰写、审稿与编辑、概念构思。
陈伟根：撰写、审稿与编辑、监督、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62275035）的支持。
