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石墨烯微腔光纖激光傳感器：超靈敏氣體檢測(cè)領(lǐng)域的重大突破

    在光學(xué)檢測(cè)技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)微量氣體的精準(zhǔn)檢測(cè)始終是科研領(lǐng)域的重要研究方向。近日，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在《PhotonicsResearch》發(fā)表的最新研究成果，為這一領(lǐng)域提供了創(chuàng)新性解決方案——一款基于石墨烯微腔的光纖激光傳感器，憑借其獨(dú)特的消噪設(shè)計(jì)，將氣體檢測(cè)靈敏度提升至單分子級(jí)別的全新高度。

 

石墨烯微腔光纖激光傳感器：超靈敏氣體檢測(cè)領(lǐng)域的重大突破


    技術(shù)核心：雙激光協(xié)同的噪聲消除機(jī)制
    傳統(tǒng)光學(xué)微腔傳感器雖能通過(guò)增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用提升檢測(cè)靈敏度，但受限于頻率噪聲干擾，難以突破檢測(cè)極限。該研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于構(gòu)建了“緊湊型雙激光熱電聯(lián)產(chǎn)”系統(tǒng)：在摻鉺D型光纖表面覆蓋單層石墨烯，形成分布式布拉格反射微腔，通過(guò)980nm泵浦光激發(fā)產(chǎn)生兩束正交偏振的激光。
    兩束激光形成穩(wěn)定的外差拍頻信號(hào)，頻率偏移為118.96MHz，可有效抵消環(huán)境振動(dòng)、溫度波動(dòng)等共模噪聲。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)在1MHz偏移處的頻率噪聲低至200Hz²/Hz，真空中的線寬僅930Hz，較傳統(tǒng)單激光系統(tǒng)壓縮三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，為超高分辨率檢測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。


    性能驗(yàn)證：從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際場(chǎng)景的突破性表現(xiàn)
    在氨氣（NH?）檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，該傳感器展現(xiàn)出卓越的靈敏度：真空中對(duì)NH?的檢測(cè)極限達(dá)到2pmol/L（約0.044ppb），空氣中則可低至0.01ppb，顯著優(yōu)于現(xiàn)有同類設(shè)備。值得關(guān)注的是，其響應(yīng)呈現(xiàn)獨(dú)特的非線性特征——低濃度時(shí)頻移與濃度呈對(duì)數(shù)相關(guān)，在0-200nmol/L范圍內(nèi)保持穩(wěn)定線性響應(yīng)，可滿足不同場(chǎng)景下的定量分析需求。
    系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能同樣優(yōu)異：對(duì)周期性注入的NH?氣體，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間約200秒；低濃度檢測(cè)時(shí)延遲可縮短至50秒以內(nèi)，且能通過(guò)鎖相技術(shù)實(shí)時(shí)追蹤氣體與石墨烯的相互作用過(guò)程，為研究分子吸附動(dòng)力學(xué)提供了全新工具。


    應(yīng)用前景：跨領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛潛力
    該傳感器的優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在靈敏度上。其緊湊的光纖結(jié)構(gòu)易于集成，無(wú)標(biāo)記檢測(cè)模式避免了化學(xué)試劑干擾，而石墨烯對(duì)極性分子的廣譜響應(yīng)特性，使其有望拓展至二氧化氮（NO?）、臭氧（O?）等多種氣體檢測(cè)。
    在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可實(shí)時(shí)追蹤大氣中痕量污染物；醫(yī)療領(lǐng)域能通過(guò)呼吸氣體分析實(shí)現(xiàn)疾病診斷；工業(yè)生產(chǎn)中則可完成危險(xiǎn)品的早期預(yù)警。正如研究團(tuán)隊(duì)指出的，這項(xiàng)技術(shù)不僅開(kāi)創(chuàng)了在單一微腔中控制正交偏振雙激光的新范式，更為實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)記、低功耗、高精準(zhǔn)的定量氣體分子測(cè)量鋪平了道路。


    隨著材料工藝的進(jìn)步，未來(lái)通過(guò)優(yōu)化石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)、提升微腔Q值，該系統(tǒng)的性能將進(jìn)一步突破。光學(xué)與二維材料的這一創(chuàng)新性結(jié)合，正為超靈敏檢測(cè)技術(shù)開(kāi)啟全新的發(fā)展紀(jì)元。

創(chuàng)建時(shí)間：2025-08-01 10:31
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