基于慢光的新型高灵敏度光学气体传感技术基础研究

Photonic crystal waveguide can make light slowed down and its structure is compacted at room temperature. The structure of photonic crystal waveguide has diversity and it can be used in the system of optical gas sensor instead of traditional gas cell. We can get larger gas absorption coefficient by using its slow light effects and at the same time the sensitivity of this system can be greatly enhanced. The volume of the gas cell can be decreased. We propose the new method of applying photonic crystal waveguide to optical gas sensor, study the new method and technology about how gas absorption coefficient can be increased and the sensitivity of this system enhanced by the slow light in the photonic crystal waveguide. The main contents include proposing and establishing the theoretical model of letting the light velocity slow down by using photonic crystal waveguide,analysising on the influence of light velocity by changing photonic crystal waveguide structure, numerical modeling and experimental research; proposing and establishing the new method and technology of increasing the gas absorption coefficient by using photonic crystal waveguide, designing structure of photonic crystal waveguide with lower group velocity, using photonic crystal waveguide as gas cell, establishing optical gas sensing system, studying the new technology of increasing gas absorption coefficient by using slow light and enhancing the sensitivity of optical gas sensing system in the experiment.

光子晶体波导在室温可实现光速变慢，且结构紧凑。光子晶体结构具有多样性，用光子晶体波导替代传统气体吸收池用于光纤气体传感系统中，利用其慢光效应，将大大提高气体的吸收系数，使检测系统的灵敏度得到极大提高，同时能减小气体吸收池的体积。本研究提出将慢光光子晶体槽波导应用于气体浓度光学检测的新理论、新技术和新方法，有效提高检测系统的分辨率和灵敏度。主要内容包括：提出并建立光子晶体槽波导减慢光速的理论模型和实验系统；研究光子晶体槽波导中慢光提高气体吸收系数的新理论和新方法；研究一种基于慢光光子晶体槽波导的新型气体浓度检测技术，不仅为流程工业生产过程参数监测与控制提供有效的手段，还为流程工业生产中易燃易爆、有毒有害气体的环境安全问题实时在线高灵敏度监测技术提供了有效的方法。

随着我国工业化进程的大踏步推进，大气污染威胁着人们的身心健康和生存环境。实现快速、实时、高准确度、高灵敏度的气体浓度检测具有非常重大的现实意义。本项目以光子晶体为主要研究对象，开展了基于光子晶体的气体传感理论及关键技术研究工作。 . （1）基于光子晶体波导的气体传感理论及关键技术研究。分析光子晶体波导慢光的产生机理及其特性，从理论上论证了光子晶体槽波导慢光在提高气体传感灵敏度方面的可行性，进而创新性地提出了基于光子晶体槽波导慢光的气体传感技术，并结合实际应用需求，分析讨论了光子晶体槽波导慢光应用于气体传感技术中所必须考虑的关键性问题。为解决这些问题，首先利用平面波展开法和有限时域差分法，以探讨光子晶体槽波导的能带结构、色散曲线和导模特性为出发点，首创性地提出了基于光子晶体槽波导空气孔位置改变、空气孔形状改变以及液体填充技术的慢光优化方法，获得了群折射率为176、带宽为1.15 nm、群速度色散小于5E6 ps2/km、对工艺误差和温度不敏感的慢光，且该优化结构具有易于制备、产生的慢光工作波长可根据实际需要进行调节等优点，是目前文献中报道的最好的慢光效果。此外，利用谐振渐变耦合和干涉共振技术，将光子晶体槽波导与普通光纤之间的耦合效率提高到90%以上。由于慢光的引入，系统的测量灵敏度可以提高176倍。最后，搭建配气、混气及传感装置对该检测系统进行初步的实验测试与性能分析，实验结果证明了理论分析的正确性。 . （2）基于光子晶体微腔的气体传感理论及关键技术研究。分析光子晶体微腔的谐振特性及其传感机理，创新性地提出了基于选择性气体吸收分子填充光子晶体微腔的气体传感技术。利用有限时域差分法，详细探讨了光子晶体微腔结构的控光特性、光场分布以及透射特性，并在该领域首次提出将微流体填充技术、慢光技术与光子晶体微腔相结合的思想，实现了折射率灵敏度为450 nm/RIU、品质因子Q为1105、适用于气体传感的光子晶体微腔；根据光子晶体微腔的输出谱特性，首次提出一种基于光纤环形腔衰荡光谱的波长信号解调技术，不仅可以高精度地分辨光子晶体微腔谐振波长的移动情况，而且还可以进一步提高气体的测量灵敏度；该系统最小可探测的甲烷气体浓度为2.37 ppm，该项研究工作首次实现了能够同时具有微型化、高灵敏度以及良好鉴别性能的气体传感技术，具有广泛的学术研究和实际应用价值。