光纤内集成型微球谐振腔及其气体传感应用

The packaging and integration of the whispering gallery mode (WGM) resonator is one of the key problems need to be solved in the research of WGM resonator and its application of gas sensing. The project proposes a novel in-fiber integrated WGM microsphere resonator and its application in gas sensing. The research in this project includes theoretical study of the coupling mechanism of the in-fiber integrated WGM coupler and optimizing its fabrication process and performance. Gas sensing based polymer coated WGM resonator and the influence of the polymer film on sensor’s performance will also be included. We will also study the multiplexed resonators and its application in mixed gas sensing. The project aims to achieve an integrated WGM resonator gas sensing technology with desirable features including high sensitivity and rapid detection.

本项目针对目前微球回音壁模式传感器集成化封装以及微腔气体传感中的难点问题，研究基于光纤内集成型回音壁模式微球谐振腔及其气体传感应用，建立光纤内集成型回音壁模式耦合器耦合机制的理论模型，优化集成型耦合器件的制备工艺及性能。利用光学微球腔与聚合物薄膜结合的方式进行气体检测，研究聚合物薄膜材料属性对回音壁模式耦合效率以及传感器性能的影响。同时，通过对多个微球包裹具有不同气敏特性的聚合物薄膜，实现基于多微球复用的多组分气体检测。本项目将解决形成微球谐振腔光纤内集成，聚合物薄膜包裹微球谐振腔气体传感技术、多组分气体检测等一系列关键科学技术问题，实现一种具有自主知识产权的高集成化、高灵敏度、快速响应的微球回音壁模式谐振腔气体传感技术。

随着人类工业的发展，温室气体造成的诸多环境问已经成为了环境保护的主要关注问题。在诸多温室气体中，二氧化碳是导致气候异常的最主要气体。 二氧化碳捕集与存储技术（CCS技术）通过分离、捕集，和封存的过程有效地对二氧化碳进行减少及利用。CCS技术在实施过程中，需要利用高性能的传感器对二氧化碳捕集、运输、封存过程中的二氧化碳气体浓度进行实时监测。 本项目以此为应用背景，对基于光纤及回音壁模式谐振腔的二氧化碳传感器进行研究。项目主要开展了新型光纤回音壁模式耦合器件、新型光学气敏材料研究和回音壁模式光学谐振腔气体传感器等3方面的研究，研制了一种基于气敏材料包裹回音壁模式微腔的二氧化碳传感器，两种分别基于聚乙烯亚胺和聚六甲基双胍气敏薄膜的光纤法布里-珀罗干涉仪的二氧化碳气体传感器，气体传感器性能可达到：灵敏度12.3 pm/ppm，最低检出限0.08 ppm。并且研制了一种基于光纤锥型法布里-珀罗干涉仪型回音壁模式耦合器，实现了Fano 谐振模式的激发。项目研究成果在光学微腔耦合与传感，光纤气敏薄膜和光纤法布里珀罗腔研究等方面具有一定科学意义，具有面向CCS技术的二氧化碳气体传感的实用价值。