光子晶体光纤气体吸收光谱探测技术研究进展

李 晋，闫 浩，孟 杰

（1.东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳110819；2.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，吉林长春130033；3.河北省微纳精密光学传感与测量技术重点实验室，河北 秦皇岛066004）

1 引 言

冶金化工、煤矿和石油化工领域中，对易燃易爆危险气体预混测试、环境实时监测、浓度控制及早期预警对生产安全和生命财产保障至关重要［1］。低功耗、结构紧凑、本质安全、高性能的气体传感技术在工业生产过程监测和环境污染治理方面的需求极为迫切。基于石英音叉和声表面波的声光光谱技术、半导体纳米材料的催化吸收和阻抗变化、材料增敏微机电系统（Micro-Electromechanical System，MEMS）和纳机电系统（Nano-Electromechanical System，NEMS）、光子晶体（Photonics Crystal，PC）微腔和光纤传感技术在气体探测方面均表现出了优异的性能和产品化的潜力［2-4］。特别是激光光谱、光纤传感等光学技术，更有利于在易燃易爆、高温有害等苛刻环境条件下实现对气体的原位、实时和组网监测［5］。激光吸收光谱技术除了可用于近海海面、大气环境及工况空间等大尺寸区域内气体浓度的遥感探测，还可实现对特定位置气体浓度和组分的原位检测和分析［6］。通过光纤传导和激光信号收集，能极大地简化气体光谱检测系统［7］。光子晶体光纤（Photonics Crystal Fiber，PCF）具备周期性空气孔洞，在高效传输光信号的同时，也为气体激光吸收光谱检测提供了天然气池，可以基于吸收光谱、拉曼光谱、光热光谱及声光光谱等机理实现气体探测［8］。比尔-朗伯定律常用于描述气体分子光谱吸收，当空气孔充满气体时，其等效折射率增大，纤芯和包层的折射率差减小，光场会进入包层空气孔中与气体作用，有效增大气体分子光谱吸收的作用面积，使光谱吸收强度的变化更为明显［9］。因此，可以显著提升检测灵敏度［10］。

类似于平面PC结构的色散结构或介质，PCF内部可以产生慢光效应，通过减慢光信号的群速度来增加光与气体分子的作用距离，实现等效作用光程的延长，以提高气体检测的灵敏度［11］。2019年，THz-PCF被提出用于实现对氰化氢（HCN）浓度的检测，并通过理论模型计算在1 239.9 GHz频率处观察到明显的吸收窗口，检测限可以达到2×10-6［12］。表面等离子体结构的引入可有效提高PCF传感器的灵敏度，如在其空气孔内壁选择性涂覆金属膜和填充微纳米金属线，以及端面和侧面制作金属纳米膜和微纳结构等［13］。气体受激拉曼散射强度的变化可以直接反映气体压力和浓度的变化信息，同时具备在强度和频移等多维度实现对不同种类气体检测的潜力［14］。PCF可以实现对其内部灌注液体的光学泵浦和荧光信号的高效收集，有望用于研制低功耗生物荧光检测芯片［15］。Jochum等人利用PCF的拉曼光谱增强效应，同时监测成熟水果散发的O2，CO2，NH3和C2H4气体，实现对水果贮存状态的实时监测及腐烂预警功能。4种气体的拉曼吸收光谱位置可明显区分，对比样品气体，其检测误差小于3%［16］。PCF一方面可以利用其内部气孔构建光学、气体、流体通道，用于研制“纤内”一体化传感探头，或者与其他类型光纤熔接构建多功能紧凑型光纤结构；另一方面，也可以被加工成D型表面、长周期光栅、双锥形微光纤，融合其他光纤结构与PCF特点，开发新型的光学器件［17］。

本文从PCF结构参数的优化设计出发，综述近年来基于不同PCF结构的气体激光光谱吸收检测技术的发展进展，其中包括通过PCF结构参数的优化提高气体检测的相对灵敏度和降低光学传输损耗；利用PCF设计端头反射型、光栅波长调制型和复合型光纤探头；借助大长度及大孔径PCF提高气体分子与光信号的作用效率等。

2 PCF的结构参数优化

如图1所示，PCF的包层气孔可以是六边形、圆形和椭圆形等结构，分布形式可以为均匀分布、辐射分布和螺旋型分布等。根据纤芯内部结构的差异，PCF可以初步分为高折射率反射型的普通PCF和折射率导引型PCF，前者原理类似传统光纤，光信号在中心纤芯内全反射传输；后者又称光子带隙光纤（Photonics Band-Gap PCF，PBG-PCF），它利用光子带隙效应，将光场局限在低折射率的空芯纤芯内传输。此外，纤芯结构还可以设计为非对成型的复杂结构，以实现对光信号的非线性调控。

图1 PCF的纤芯，包层气孔结构及分布形式示意图Fig.1 Schematic diagram of core，cladding pore struc⁃ture and distribution of PCF

在优化PCF结构参数时，要根据不同的光纤类型和包层结构分布形式进行精细地调控，以检验不同参数下的光学模场分布效果。

2.1 常规PCF结构参数优化

PCF气体传感探头的性能讨论主要集中在PCF关键几何结构参数的优化上，目标一方面是提升气体检测的相对灵敏度［18］：光纤内光学模式与气体分子的有效作用面积和整个模场截面的面积比；另一方面是改善孔径对光信号的限制损耗［19］：表征PCF包层对光场的限制能力，用光场经过单位长度PCF后的功率损失。然而，跨越微米尺度的超精细纳米结构PCF的设计大多也只存在于理论仿真阶段。在PCF几何结构参数的设计和优化过程中，最简单的方式是改变纤芯及其周围不同级次环形结构上的空气孔直径或周期，PCF纤芯的几何结构及占空比的优化，可以有效提升气体检测的相对灵敏度［20-21］。

根据紧密排列环形、六边蜂巢型、八角形、十角形等单一构型或者多种构型混合，可以构建结构规则、中心对称的光子晶体结构。它们也更容易采用传统堆栈-拉伸技术直接获得［22］。采用八角阵列结构PCF，气体检测相对灵敏度从5.09%提高到了9.33%，限制损耗降低到10-4量级［23］。Morshed等人在针对CH4和HF气体传感特性分析的PCF仿真模型中，将限制损耗降低到10-8d B/m量级［24］。

将PCF的包层部分设计成螺旋结构，可以表现出更显著的模式限制作用，有效减小光纤结构对光学模式的限制损耗［25-26］。在此基础上，可通过调节内部光子晶体单元形状和分布获得高双折射，拓展工作波段，提高气体检测的相对灵敏度。通过在环形PCF结构中引入数层螺旋形多空区域围绕纤芯，理论上在1.33μm处获得了高达72.04%的相对灵敏度，对应的有效模面积为10.04μm2，工作波长可以覆盖1～1.8μm［27］。但是，该PCF空气孔的结构参数必须严格控制，其直径在50 nm范围的差异会导致相对灵敏度在10%的范围内变化，其他影响因素还包括孔洞周期、螺旋环结构层数、光波波长及偏振特性。

Paul等人通过仿真建模计算，首次在常规PCF的周期性结构中引入准晶体（Quasi-crystal）结构，有效抑制了非线性光学效应，降低了传输损耗（10-6量级），获得了高质量的单模传输（1～1.8μm）和高相对灵敏度（64.69%）的气体传感效果［28］。除了传统圆形截面纤芯结构以外，纤芯部分还被设计成3个矩形平面堆栈型结构。这3个平面的相对位置和角度的变化会直接影响不同偏振方向光信号的模场光斑。该结构在1.3～2.2μm波段表现出完美的线性响应，对应的相对灵敏度为48.26%［29］。

2.2 PBG-PCF结构参数优化

PBG-PCF借助内部空气孔周期晶体来传导光学信号，其中94%～95%的传输光被束缚在纤芯内，总的模式空气重叠比率高达98%～99%，可以作为一种绝佳的气体光谱吸收池。例如，在其中空纤芯内灌注乙炔气体后熔接到单模光纤上，用于构建紧凑型的参考样品池［30］。PBGPCF光纤结构参数优化用于提升CO检测过程中提高纤芯内光场的传输率>90%［31］。

PBG-PCF对激光光源的波长有严格要求，必须落入其带隙范围，才能保证将70%～90%的光学模场功率局限在空芯纤芯内，以实现与气体分子的高效作用［32］。Arman等人采用COMOSL Multiphysics设计了PBG-PCF，当空纤芯直径从5.3μm增大到5.8μm的过程中，仿真获得其最高相对灵敏度为96.53%，对应的光场模式分布也显示出了最低的限制损耗［33］。类似于经典保偏光纤对不同偏振方向光信号的调节作用，也可以在PBG-PCF结构内部引入椭圆形孔来增强双折射效应。椭圆孔的快轴、慢轴、周期和结构分布会影响x，y方向偏振光的模场分布。结构参数优化后非对称性分布椭圆孔的最高相对灵敏度为53.07%，明显高于对称型椭圆孔（2×4，约为48%）和正六边形圆孔结构（约为42%）［34］。

除了纤芯形状以外，PBG-PCF气体检测的相对灵敏度和限制损耗与高折射率GeO2-SiO2纤芯环和围绕其周围的第一环空芯孔的结构参数相关。在PBG-PCF结构中引入掺Ge缺陷环结构，可以借助其绝热模式转换特性极大地降低与单模光纤间的熔接损耗（0.22 d B）［35］。大直径的空心孔可以有效提高相对灵敏度，降低限制损耗。通过将第一环空芯孔的形状由圆形变为六边形，可将更多光学能量束缚在纤芯环和第一环空芯孔内传播，并且甲烷在1.33μm波长位置的光谱吸收效率增加了4倍（从3.25%～13.23%），限制损耗减低了265倍［36］。

针对以上评述的研究工作中所应用的空芯微结构光纤的典型结构特点，本文对比分析了其相对灵敏度、传输损耗和最佳工作波长位置，如表1所示。从近年来的相关研究进展和相应光纤结构的光学性能对比可以看出，常规PCF光纤的相对灵敏度的提高程度有限，并且大多数光信号截面被实心的光纤纤芯覆盖，应用于实际气体传感时难以得到理想的传感灵敏度。尽管通过调制其包层多层晶体孔的结构，获得了72.04%的相对灵敏度增强，然而却对PCF光纤提出了更为苛刻的要求；PBG-PCF的纤芯为空芯型，近年来相关结构的相对灵敏度最高可以达到96.57%，也有个性化设计的纤芯结构形式被提出，然而结构参数的精细化程度要求更高，实验和理论计算的偏差需要更深入的研究及论证。

表1 不同结构PCF的光学特性对比Tab.1 Comparison of optical properties of PCF with different structures

3 表面吸收型PCF气体传感器

基于PCF设计的气体激光光谱吸收传感探头可大致分为端头反射式、光纤侧面吸收等表面吸收型，如图2所示。

最简单的干涉型PCF气体检测探头，将一段PCF熔接在普通光纤尾端的Fabry-Perot反射腔结构，其端面通常需要涂覆反射透气型膜层（图2（a））；另一类为透射型结构，一段PCF熔接在两段普通光纤中间（图2（b）），可以借助光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG，也被称作一维光子晶体结构）（图2（c））、长周期光纤光栅（Long Period Grating，LPG）（图2（d））或熔融拉伸处理的双锥型PCF光纤的倏逝场（图2（e））实现气体检测功能。

图2 用于气体表面吸收的不同PCF结构Fig.2 Different PCF structures for gas surface absorption

3.1 端面反射干涉型气体探头

气体分子光谱吸收过程中，光谱吸收强度主要依靠观测特定波长位置的激光功率衰减强度实现对气体浓度的标定，结合一次谐波和二次谐波的谐波检测技术可以有效消除部分噪声干扰［37］，降低检测误差，但仍然难以摆脱强度检测方法的弊端，检测精度的提高程度有限。当DFB光源使用正弦波形调制时，由朗伯-比尔定律可以推导出，气体分子光谱吸收强度的二次谐波分量正比于气体浓度，因此可以在二次谐波分量的强度幅值达到最大时，确定DFB激光器的最佳调制频率［38］。该过程往往伴随局部温度、密度和压力的变化，可构建干涉型气体吸收池，通过干涉光谱的相位变化信息实现对气体浓度的检测，有效消除激光功率不稳定及环境因素影响引入的背景噪声。最简单的干涉型结构是将一小段PCF熔接到单模光纤端面构成反射式气体探头，气体通过开放的光子晶体空气孔与光信号作用［39］。实验表明，它对气体的检测能力接近nmol量级［40］，可实现对10-12级挥发性有机物气体的快速检测（检测时间<20 s）［41］。基于光谱吸收原理PCF气体探头的灵敏度一般与占空比成正比，但是干涉型PCF结构中的多模干涉一般是由基模和二阶模产生的，更高阶次模式损耗极大，因此结构优化设计中占空比又不宜过大。反射型PCF的端头反射可以通过熔接其他实心光纤［42］或者涂覆反射膜层进行设计，某些气体敏感材料可以充当反射膜层或者膜层掺杂材料，以实现对气体的选择性检测。

3.2 光栅波长调制型气体探头

PCF气体吸收池也可以借助微纳加工和镀膜工艺进行设计和制作。不同气体对应的吸收波长除了由特定的激光器提供，也可以通过在空芯光纤结构内部刻蚀特定周期的FBG，以得到特定波长位置的光谱增强，实现对纤芯传输基模光信号的波长调控，同时借助高阶模式传输特性及二者间的多模干涉效应可实现多参数信息的同时感知，以提高探头的选择性［43］。FBG也可以充当光反射镜，用于构建气体分子吸收谐振腔，有效提高气体检测的灵敏度［44］。Yan等人结合FBG和PCF-FBG结构构建了谐振腔型气体吸收光谱检测探头，实现了对乙炔气体的检测，得到的灵敏度为0.022 dB/%（即气体浓度每增加1%对光功率的吸收损耗会增加0.022 dB）。单模光纤和PCF纤芯上需要采用准分子激光器和掩膜版刻蚀相同周期的FBG结构［45］。

PCF用CO2激光器热熔法制备LPG，气体通过熔接在PCF和单模光纤间空芯毛细管上的孔进入PCF，实现对0～10 MPa气体压力的检测［46］。郑世杰等采用CO2激光器在PCF纤芯上刻蚀LPG来消除纤芯模式，将更多激光能量分离到包层空气孔中，增加激光-气体分子的作用面积［47］，同时在PCF端面镀银膜，与长周期光栅一起形成气体吸收腔，进一步提高了气体光谱吸收的作用距离。将上述结构引入到掺铒光纤激光环形激光器中，氨气检测灵敏度提高至17.3 nW/10-6。该工作中气体吸收池的设计方法可为微小、紧凑的一体化光纤气体探头的研制提供借鉴。单亚锋等人首次在实验室环境搭建了实用化的分布式PCF-LPG瓦斯气体传感系统，PCFLPG可以有效增强PCF光纤探头的温度稳定性，提高检测精度，测试结果误差低于10%［48］。

3.3 复合式结构

通过加热熔融拉锥或熔接技术可以设计多种新型的多光纤复合型结构，这种设计可以归纳为级联光纤结构，除了需要对PCF自身结构参数进行优化外，还须考虑熔接光纤的类型、结构、涂覆膜层的材料及封装方式等［49］。熔融拉锥技术可用于制作双锥形微米PCF，作为一种开放型光纤探头，它可以借助光学倏逝场实现对外界环境的感知，并且可通过石墨烯、金属纳米粒子修饰进行增敏［50］。经过高温熔融拉锥处理后，PCF的空气孔会塌陷，光纤内部的光信号会以倏逝场的形式逸出到光纤表面。通过将双锥形PCF与单模光纤连接并修饰上石墨烯涂层，Feng等人研究了H2S气体浓度从0～45×10-6变化时透射光谱的相位，得到的灵敏度为0.031 43 nm/10-6［51］。然而，此结构中的光子晶体结构完全塌陷，不能合理地利用其内部孔洞结构传导气体分子和束缚光场。

PCF与单模光纤熔接构建微型马赫-增德尔干涉仪，依靠PCF两端熔接点凸锥结构实现光信号的分离和合束，通过纤芯基模与包层高阶模模式干涉得到干涉光谱。PCF表面涂覆的金属纳米粒子和石墨烯功能膜层与气体作用后的折射率改变量作用于包层高阶模式影响干涉光谱相位，以实现对气体浓度的检测，实验结果表明对H2S浓度的检测限可以达到3.85×10-6［52］。通过将两个不同臂长的光纤干涉仪串联熔接，可以获得周期不同、叠加在一起的干涉光谱，进而借助游标效应分析二者差异，极大地提高光纤传感器的灵敏度。这种紧凑稳定的PCF熔接光纤结构已被证明具有极高的折射率传感灵敏度（>30 000 nm/RIU）［53］，也为未来低检测限光纤气体传感器的研制提供了借鉴。典型的PCF气体传感特性对比见表2。

表2 表面吸收型PCF气体传感器性能比较Tab.2 Performance comparison of surface absorption PCF gas sensors

近年来的相关研究表明，将PCF熔接在普通单模光纤端头，或者采用机械结构实现PCF和普通单模光纤的低损耗耦合，形成一种极为简易的气体传感探头。它的优点是无需对光纤进行侧壁开孔，大大降低了工艺难度，然而却存在结构不稳定，气体分子难以自由逸出等弊端。光栅结构的引入，可以在PCF内部构建光学谐振腔，极大地提高气体吸收效率和检测灵敏度，但是光栅的制作必须依赖CO2和飞秒激光等高精密加工技术。复合型光纤结构主要是借助不同类型光纤结构和气体敏感材料的特点，将多种光纤结构级联以构建高效率的气体光谱吸收腔，通过气体敏感材料涂覆提高气体检测的灵敏度和选择性，为PCF型气体探头的灵活设计提供了重要的技术实现途径。该类结构的精细化设计则主要依赖于光纤探头设计过程中对各种类型光纤结构参数，以及对修饰材料特性和膜层结构的精确控制。

4 长光程气体检测系统设计

长光程PCF气体检测技术研究主要需要考虑气体分子的交换效率问题，以缩短检测时间。常用的光纤结构如图3所示，可以直接采用超长的PCF光纤实现多种气体的填充和测量，但是需要在如图3（a）所示的大长度PCF光纤上多位置打孔，或如图3（b）中将多段PCF光纤串联。此外，还可以通过图3（c）的大空气孔结构来加快气体分子在光纤内的扩散速度，包括圆孔阵列型、柚子型和单孔空芯毛细管型空芯微结构光纤。

图3 长光程气体检测技术的PCF结构Fig.3 PCF structures for long-path gas detection tech⁃nology

4.1 大长度光纤气体吸收池

在基于空芯光纤（Hollow Fiber，HF）或者PCF的透射型一体化光纤气体探头的设计中，需要借助飞秒激光器或者二氧化碳激光器在光纤侧壁加工气体交换孔。PCF可以在0.1 s内实现对约为8.7×10-6低浓度的CH4气体的快速响应。如果对检测速度要求不高，该检测下限可以降低到1.4×10-6，对应的平均响应时间为10 s。HE等还提出通过在一段长的PBGF打孔或者将多段短PBGF耦合串联可以加快气体扩散速度［54］。Lehmann等人采用飞秒激光在空芯光纤带隙光子晶体光纤（HC-PBGF）上加工微孔以构建气体进出通道，其中需要注意飞秒激光的带宽、功率、作用时间，以及光纤的固定、位置调节和透射功率的实时监测等［55］。Hoo等人最早提出采用周期开窗PCF串联结构，可以在约1 min内实现对浓度小于6×10-6乙炔气体的快速检测。然而，实际结构的制作和传感器设计过程中，还必须解决PCF与单模光纤的低损耗熔接、PCF开窗加工精度、开窗孔的气体扩散膜设计等关键技术问题［56］。

结构开放的C型光纤直接熔接在单模光纤和PCF之间充当气体交换通道，从而有效提高此种探头的结构稳定性和制作重复性。Kassani等人通过实验证明，采用悬挂环芯型PCF的乙炔气体检测灵敏度是传统PCF的4倍［57］。并且，气体检测的响应时间和测量分辨率也得到显著增加，悬挂环内的圆形空气孔表现出最佳的检测性能。当其形状为椭圆形时，对浓度约为0.5%乙炔气体的响应时间为18.3 min，略低于圆形结构的16.4 min［58］。

采用785 nm的激发光和一段30 cm长的PCF，通过分析拉曼光谱变化可以实现对多种气体浓度（0.04%浓度的CO2和甲苯）的有效检测［59］。这种方式提供了一种最简单的气体探头（仅是一段PCF）和更接近可见光波长的气体传感技术。但是拉曼光谱分析技术极大地拉高了该器件的成本，难以实现低成本原位气体监测应用。

大长度光纤传感系统的设计中，多种附加因素的引入会严重影响光谱信号的信噪比。首先，长程PCF加工的多个气体交换通道，或者多段PCF探头串联结构的设计将极大地削弱光信号强度。在不同光纤熔接位置引入的光学耦合功率损耗方面，冯巧玲等人通过将5 m长的PCF与单模光纤熔接设计了低压填充氨气参考气体吸收池，得到的功率损耗低于3.5 dB［60］。王海宾等人设计了长度为20 m的PCF低压CO2气体腔，通过单模光纤熔接和大数值孔径的多模光纤接收信号光，有效地将功率损耗降低到3.5 d B［61］。其次，仅仅采用PCF气体光纤探头与传统的空间光路集成的光学系统存在多个光学耦合部件，极易受到环境气体扰动的影响，需要借助系统的全光纤化设计来优化传感系统的性能。Piotr等人首次将1 m长的七孔PCF（单孔直径约为55μm）引入到TDLAS系统代替传统笨重的光学吸收池，实现了对CH4和CO2的同时检测，对应的光谱吸收峰位置分别为3.334μm和1.574μm，实验测得的检测下限分别为24×10-12和144×10-6［62］。该 工 作 中 详 细 分 析 和 讨 论 了PCF用于气体检测的多模干涉效应和气体吸收光程过短等问题。

4.2 探头嵌入式光纤环吸收气池

Zhang等人最早在2004年采用掺铒光纤环激 光 器（Eribium Doped Fiber Ring Laser，ED⁃FRL）搭建光纤相干光谱气体传感器，来代替传统的激光光谱吸收空间光路系统［63］。该环形结构内还可以引入Fabry-Perot滤波器和FBG，PCF用来有效提高气体与激光作用距离。实验结果表明，该结构的气体吸收灵敏度相对于单程腔可提高91倍。相对单波长工作模式，双波长EDFRL经实验验证可以将乙炔检测的灵敏度增加6.44倍，得到了10.42×10-6V的检测下限［64］。Sagnac环滤波被首次应用到环形光纤激光系统中，用于串联多个PCF探头实现多点探测功能。基于干涉光谱的模式补偿效应，在1 532.83 nm和1 534.10 nm处实现了对浓度为1%乙炔的激光吸收光谱的实时监测，对应的探测灵敏度分别为398×10-6V和1 905×10-6V［65］。Sagnac及光纤环反射镜等环形结构的引入，可以极大地增加气体分子的等效吸收光程，在保证气体传感性能的同时简化全光纤气体激光光谱吸收系统。掺铒光纤则进一步保证了环形结构内的光信号强度，补偿长距离光纤传输的损耗。

4.3 大空气孔径光纤气体传感器

PCF内部空气孔过小和长度过长，均会降低气体分子的扩散速度。陆维佳等人结合理论分析和实验检测对比了自由扩散和压差作用下CH4气体的响应时间，进一步完善了相关理论模型。PCF气体检测系统的设计还需要考虑所使用激光器的光束发散角、输出功率，以及光纤结构设计及光学性能优化等问题［66］。

大孔径的气体传输和检测通道更有利于实时监测过程中的气体交换。Gui等人选用的柚子型PCF［67］，其空芯直径和周围六孔直径分别为33μm和73μm，采用飞秒激光贯穿光纤侧壁到外围的6个孔洞，可以分别构建6条独立的气体传输通道。实验结果表明，该探头可以在15 s内实现对0～5%乙炔气体的实时检测，单位气体浓度变化引起的特征波长位置的光功率变化率为2.27×10-3d B/10-6。进一步，通过空分复用技术和8个光电开关设计了5个位点不同浓度气体的分布式检测系统。类似的微结构光纤可称为Kagome型结构，也在其他工作中被多次应用［68］。Yao等人将单环8毛细管阵列微结构光纤引入TDLAS系统实现了CO的高灵敏度检测［69］，响应时间缩短到5 s以内。然而，以上系统的实质仍为独立、并列工作的单点气体探头的简单集成，多个单头实际是无法同时工作的。Zhao等人采用类似的7毛细管阵列微结构光纤完成了全光纤乙炔传感系统的设计和验证［70］。Hansel等人也提出了全光纤集成的氨气传感系统［71］，将光电探测器、光源和集成电路通过各种光学耦合器和复用器连接起来，为全光纤TDLAS系统的设计提供了借鉴。

在大空气孔光纤气体传感器的设计及系统集成方面，需要通过单光纤多通道融合和多光谱分析技术来研制更为紧凑的高性能、一体化分布式气体探头，如通过在多个通道的不同位置加工气体交换通道，以及不同气体通道的内壁选择性材料修饰来获得多种气体或多种浓度气体的分布式监测。

5 结 论

PCF可以作为光流体通道，实现对光场模式的高效束缚，同时其天然的空气孔结构沿光信号传输方向提供了气体流动通道，是未来紧凑型、集成化气体激光光谱检测传感器的主要研究对象。本文综述了近年来PCF气体检测技术的相关研究进展，主要从PCF自身结构参数优化（晶体结构、尺寸及分布形式）、PCF气体传感探头设计（检测原理、探头结构及光学模式调控）和整体气体检测系统优化（系统噪声、应用环境及分布式传感）等角度进行分析和讨论。在PCF结构或探头设计上，需要综合考虑光纤弯曲曲率、长度、内径、待测气体浓度、光源发散角及光场能量分布等对检测效果的影响。在系统层面对PCF类气体传感器的优化，还应考虑光电器件零点漂移对传感性能的影响。多探头差分检测可以有效消除温度、湿度等非其他环境因素的干扰，提高检测结果精确度。未来，有望采用mm级和125 μm的变径光纤实现大孔径PCF光纤与传统单模光纤的熔接，以构建光纤一体化气体探头。PCF气体激光光谱检测技术仍然需要依赖理论层面的结构设计和优化，确保纤芯光场模式>90%束缚传输；以及实验方面的传感性能改善，包括将其相对灵敏度提高到>60%，提高对多组分气体的选择性检测。同时，在检测系统角度需要进一步提高气体交换效率，以获得<10 s的响应速度，满足对气体的实时监测需求。此外，还必须解决气体检测系统的全光纤化设计，便于系统与常规125μm直径单模光纤间的熔接，搭建全光纤监测网络。在检测信号的有效提取方面，需要结合谐波探测技术、干涉光谱相位解调技术和差分结构设计来有效消除环境噪声的干扰。