基于光声/光弹性效应的光纤气体传感技术研究进展及其在环境与健康监测中的应用

本文聚焦光纤气体传感技术领域，针对传统传感方法在灵敏度、抗干扰和集成化方面的不足，系统综述了基于光声光谱（PAS）、布里渊散射（Brillouin scattering）和光致热弹性光谱（LITES）的新型光纤传感技术。研究团队通过优化空心光纤（HCF）、光子晶体光纤（PCF）和微纳光纤结构，实现了对CH4 、C2 H2 等气体的高灵敏度检测（最低检测限达ppb级），为环境监测、工业安全和医疗诊断提供了微型化解决方案。

　　

气体传感技术在环境监测、工业安全和医疗诊断等领域具有重要应用价值，但传统电化学传感器存在易受电磁干扰、响应速度慢等问题，而光学传感技术虽具有高灵敏度优势，却面临体积庞大、难以集成化的挑战。近年来，随着光纤技术的发展，一种结合光学与声学检测优势的新型传感方案——基于光诱导声波/弹性波的光纤气体传感器应运而生。这类技术通过将气体分子吸收光能后产生的声学信号转化为可检测的物理量，实现了"光-声-机"多物理场耦合的高精度检测。

中国的研究团队在《Photoacoustics》发表综述，系统梳理了光纤气体传感器的三大技术路径：光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy, PAS）利用气体吸收调制光产生声波，通过石英音叉（QTF）检测实现ppb级灵敏度；布里渊散射（Brillouin scattering）通过分析光与气体分子相互作用导致的频移，实现压力、温度多参数测量；光致热弹性光谱（Light-Induced Thermoelastic Spectroscopy, LITES）则创新性地利用音叉热弹性效应检测气体吸收引起的机械振动，避免传感器直接接触待测气体。研究团队特别强调了空心反谐振光纤（HC-ARF）的突破性应用——其独特的空气芯结构同时作为光波导和气室，将C₂
H₂
检测限推进至4.75 ppm。

关键技术方法包括：（1）构建HC-PCF/ARF气室实现光-气长程相互作用；（2）开发石英音叉增强型声波检测系统（QEPAS）；（3）采用波长调制技术提升信噪比；（4）建立分布式布里渊散射测量系统（BOTDR）；（5）设计微型化FP干涉仪用于振动信号解调。

研究结果方面：

1. 光纤类型创新：空心光子晶体光纤（HC-PCF）通过光子带隙效应将甲烷检测灵敏度提升10倍；七毛细管结构的HC-ARF则实现单模传输与低损耗（0.3 dB/m）。
2. QEPAS技术突破：采用侧抛光纤（SPF）激发倏逝波，使CH₄
   传感器在无自由空间光学元件下实现34 ppm检测限。
3. LITES系统优化：结合HC-ARF与QTF的传感器对CO检测显示1.34×10^-10
   cm^-1
   W/Hz^1/2
   的归一化噪声等效吸收系数。
4. 布里渊散射应用：在40 bar氮气填充的ARF中观测到0.029 m^-1
   W^-1
   的布里渊增益，温度灵敏度达2.18 MHz/K。

该研究证实，光纤气体传感器在保持传统光学方法高灵敏度优势的同时，通过结构创新解决了系统集成难题。特别是HC-ARF与LITES技术的结合，既避免了QTF接触腐蚀性气体的风险，又通过全光纤设计实现了传感器在爆炸性环境中的安全部署。未来，通过开发多芯光纤阵列和人工智能辅助光谱解析，有望进一步推动分布式智能气体监测网络的建设，为碳中和背景下的温室气体监测提供关键技术支撑。