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摘要
为了研制结构紧凑、低功耗和本质安全的激光吸收光谱气体检测系统,光子晶体光纤气体检测技术受到广泛关注。通过对光子晶体光纤结构参数的优化,可将90%以上的光场模式束缚在纤芯附近,从而将气体检测的相对灵敏度提升到60%以上,限制损耗降低到10-8dB/m。对光学模式的调控依赖于纤芯微结构参数和包层光子晶体空气孔的阵列排布的优化,以期获得更高的相对检测灵敏度和更低的光学损耗;接着,针对端头反射式、光纤光栅波长调制型和不同光纤复合型的气体检测技术进行了分析。端头反射式结构最为简单,然而难以保证气体分子的高效交换。结合Bragg光栅和长周期光栅等特种光纤结构可以构建光学谐振腔,有效增强光信号与气体分子的吸收光程。结合不同类型光纤和气体敏感材料的复合光纤结构气体探头的设计,极大地优化了气体传感的选择性和灵敏度等特性。延长光纤至1 m以上,或采用环形嵌入方式可有效增加光程,获得10-12量级的检测限。掺铒光纤的引入可有效补偿光纤环内的光学损耗。最后,分析了多孔环形和柚子型等大空芯直径光子晶体光纤的气体检测性能和未来研究方向。针对光子晶体光纤气体激光光谱吸收检测技术,未来需要在性能优化、系统集成和环境适应性方面开展研究,从而为冶金化工等行业中危险气体实时监测仪器的研制提供技术保障。
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单位中国科学院长春光学精密机械与物理研究所; 应用光学国家重点实验室; 东北大学
