Antiresonant fiber-enhanced Raman spectroscopy gas sensing with 1 ppm sensitivity

光学 拉曼光谱 材料科学 灵敏度(控制系统) 光谱学 拉曼散射 光纤 纤维 光纤传感器 光子晶体光纤 物理 量子力学 电子工程 复合材料 工程类
作者
Minghong Yang,Zhixiong Liu,Lingxi Xiong,Qilu Nie,Yingying Wang,Shoufei Gao,Mengen Cheng,Dexun Yang,Shilong Pei,Donglai Guo
出处
期刊:Optics Express [The Optical Society]
卷期号:32 (3): 4093-4093 被引量:13
标识
DOI:10.1364/oe.509758
摘要

Antiresonant hollow-core fiber (AR-HCF) exhibits unprecedented optical performance in low transmission attenuation, broad transmission bandwidth, and single spatial mode quality. However, due to its lower numerical aperture, when utilizing the Fiber-Enhanced Raman Spectroscopy (FERS) principle for gas detection, the efficiency of AR-HCF in collecting Raman signals per unit length is significantly lower than that of hollow-core photonic crystal fiber. Nonetheless, AR-HCF effectively suppresses higher-order modes and offers bandwidth in hundreds of nanometers. By increasing the length of AR-HCF, its advantages can be effectively harnessed, leading to a considerable enhancement in the system's ability for low-concentration gas detection. We combine the nodeless antiresonant hollow-core fiber and Raman spectroscopy for enhanced Raman gas sensing in a forward scattering measurement configuration to investigate the attenuation behavior of the silica background signals. The silica background attenuation behavior enables the low baseline of the gas Raman spectroscopy and extends the integration time of the system. In addition, a convenient spatial filtering method is investigated. A multimode fiber with a suitable core diameter was employed to transmit the signal so that the fiber end face plays the role of pinhole, thus filtering the silica signal and reducing the baseline. The natural isotopes 12 C 16 O 2 , 13 C 16 O 2 , and 12 C 18 O 16 O in ambient air can be observed using a 5-meter-long AR-HCF at 1 bar with a laser output power of 1.8 W and an integration time of 300 seconds. Limits of detection have been determined to be 0.5 ppm for 13 C 16 O 2 and 1.2 ppm for 12 C 16 O 2 , which shows that the FERS with AR-HCF has remarkable potential for isotopes and multigas sensing.

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