基于六边形光子晶体光纤的太赫兹光学传感器：乙醇和苯检测技术及其在工业环境安全监测中的应用

为解决乙醇和苯对环境和健康的危害问题，研究人员设计了一种基于六边形光子晶体光纤（H-PCF）的太赫兹（THz）传感器。该传感器采用Topas材料，通过优化六边形核心和包层结构，在2.2 THz频率下实现了乙醇96.35%和苯97.05%的高相对灵敏度（RS），有效材料损耗（EML）低至0.0032 cm?1和0.0024 cm?1。其高灵敏度和低损耗特性为工业安全和环境监测提供了创新解决方案。

　　

乙醇和苯作为工业中广泛使用的化学物质，对环境和人类健康构成严重威胁。乙醇添加到汽油中会加剧气候变化，而苯则是强致癌物，可引发白血病和贫血。传统检测方法灵敏度不足，亟需开发高精度传感器。为此，研究人员设计了一种基于六边形光子晶体光纤（H-PCF）的太赫兹（THz）传感器，通过独特的六边形核心和包层结构，显著提升了检测性能。

研究团队采用COMSOL Multiphysics软件进行仿真，优化传感器结构参数。核心采用Topas材料（一种低太赫兹吸收、高化学稳定性的环烯烃共聚物），通过六边形空气孔阵列增强光场与待测物的相互作用。关键技术包括：有限元分析（FEA）模拟光传播特性、完美匹配层（PML）边界条件设置以消除反射干扰，以及模态分析计算相对灵敏度（RS）和限制损耗（CL）等关键指标。

1. 引言
研究指出苯通过污染水土空气破坏生态系统，乙醇则导致水生生物缺氧和肝损伤。现有传感器如2018年设计的PCF对乙醇灵敏度仅69%，而本研究通过六边形结构将灵敏度提升至96.35%（乙醇）和97.05%（苯）。

2. 方法论
传感器核心宽度74 μm，包层直径360 μm，通过六边形对称结构实现光场高效约束。仿真显示，在2.2 THz下，乙醇和苯的有效模式面积（EA）分别为6.88×10^?8 m²和7.79×10^?8 m²，CL低至10^?7 dB/m量级。

3. 环境传感系统
实验装置包含THz光源、样品腔和光学分析仪。传感器通过监测THz波与样品相互作用后的频移实现检测，数据经软件解析后输出化学浓度。

4. 结果与讨论

• 灵敏度：苯因折射率（RI=1.36）高于乙醇（RI=1.35），灵敏度更高（图6）。
• 功率分布：97.45%的光功率集中在核心（图7），确保高信噪比。
• 双折射：在1.6-2.2 THz区间呈现U型曲线（图12），表明结构对称性最佳。

5. 制造可行性
提出通过溶胶-凝胶法或3D打印实现六边形结构，但需解决空气孔对齐精度问题。

结论
该传感器以创纪录的灵敏度（97.05%）和超低CL（1.89×10^?7 dB/m）突破了现有技术瓶颈。其设计为癌症早期诊断（如THz皮肤癌成像）和毒品检测（通过RI变化识别分子）提供了新思路。未来可通过物联网整合实现化工厂泄漏实时监控，推动《Sensing and Bio-Sensing Research》倡导的智能传感发展。