微型结构光纤光谱小秘密
时间：2021-05-24 阅读：330
直接吸收光谱技术基于比尔-朗伯定律，P = P0(v)exp[-α(v)γCL]。当特定频率(v)的激光通过待测物质时，一部分光能量被吸收，造成透射光功率的降低。通过分析透射谱可以确定待测物质的浓度(C)和种类。微纳结构光纤光模场与待测样品重叠效率(γ)高, 作用距离(L)长，可以增大吸收信号，提高探测灵敏度。
光热/光声光谱技术是一种间接测量光谱吸收的方法，通常采用泵浦-探测方案。波长或功率调制的泵浦光经样品吸收后，产生温度变化或者发射声波，引起探测光相位变化。通过干涉解调相位的变化可以获得待测物质的种类和浓度。和强度探测相比，相位检测灵敏度高、动态范围大。光热/光声相位调制信号正比于泵浦光功率密度和气体吸收长度。
空芯光纤中光与气体作用距离长，基模模场的面积比自由空间光束要小得多。对同样的泵浦光功率，光纤中心点的温度可以比自由光束的温度要高的多。同时，空芯光纤中气体的热传导特性使得光热相位调制幅度在高频部分（10-100 kHz）比空间光学系统大；因此在这一频段工作， 可以提高检测的信噪比。作者团队利用5-15 cm 的空芯光纤作为样品池，实现了多种气体的高灵敏度（ppb量级）检测，包括乙炔，氨气, 甲烷, 乙烷 , 乙烯和二氧化碳等。
拉曼光谱技术也采用泵浦-探测方案。当泵浦光和探测光的频率差与样品中待测物质的拉曼频移相匹配时，会产生拉曼增益和色散, 同时放大探测光的功率和调制探测光的相位。然而，由于气体分子的拉曼散射截面非常小，导致拉曼信号通常很微弱。微纳结构光纤模场面积小，增益距离长的特点，可以大大提高拉曼信号激发和收集的效率。