高灵敏度太赫兹光子晶体光纤传感器在烃类混合物中石化掺杂物精准分析中的设计与优化

为解决石化燃料掺假检测难题，研究人员设计了一种基于八边形包层空心光子晶体光纤(HC-PCF)的太赫兹(THz)传感器。通过COMSOL Multiphysics仿真验证，该传感器在2.2 THz频率下实现97.20%的相对灵敏度， confinement loss低至6.08×10?8 dB/m，EML仅0.00654 cm?1，为燃料质量监测提供了非破坏性检测新方案。

　　

在石化能源领域，燃料掺假是长期存在的全球性问题。以煤油为例，掺入劣质成分会导致发动机故障、效率下降和环境污染。传统实验室检测方法耗时昂贵，难以实现实时监测。而太赫兹(THz)技术因其非电离特性和分子指纹识别能力，成为新兴检测手段。然而现有THz传感器存在灵敏度不足(普遍低于94%)、传输损耗大等问题，制约其实际应用。

针对这一技术瓶颈，研究人员开发了一种创新性的八边形包层空心光子晶体光纤(HC-PCF)传感器。该设计通过优化Zeonex材料(折射率1.53)的微结构，在1.0-3.0 THz频段实现了突破性性能。研究采用COMSOL Multiphysics进行有限元分析(FEM)，设置273,750个自由度，结合完美匹配层(PML)边界条件消除反射干扰。

2. Design and methodology
传感器核心采用直径86 μm的煤油填充空心结构(折射率1.44)，外围为五层八边形空气孔阵列。关键参数包括包层间距A₁=420 μm、气孔直径d₁=340 μm。电磁场模拟显示，2.2 THz时97.35%的光功率集中在核心区域。

3. Results assessments
在2.2 THz工作频率下取得三项突破：相对灵敏度达97.20%，较现有技术提升3%； confinement loss仅6.08×10^?8 dB/m；有效材料损耗(EML)0.00654 cm^?1。数值孔径(NA)为0.221，有效模式面积6.35×10^?8 m²。

5. Fabrication procedures
提出采用溶胶-凝胶法和毛细管堆叠技术制备，并展望机器学习优化设计。few-shot learning技术可基于少量样本预测传感器性能，解决THz光谱数据稀缺问题。

这项研究通过创新性的光子晶体结构设计，将THz传感技术推向了新高度。相比Ferdous等报道的椭圆芯设计(灵敏度80.34%)和Hossain的方形芯方案(97.0%)，本工作同时实现了超高灵敏度和超低损耗。未来结合3D打印和AI优化，该传感器可扩展至生物医学检测、环境污染物监测等领域，为实时质量监控提供可靠工具。