编者按
青年编委既是我国科技创新发展的生力军，又是科技期刊长远发展的源头活水。《光学学报》于2022年推出“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊的同时，组建了一支强有力的SAME期刊青年编委队伍。为集中展示青年编委风采，编辑部精心组织本期“SAME青年编委专辑”，共收录16篇特邀论文，分别涵盖激光雷达、气溶胶、温室气体探测、光谱传感技术、光学散射技术以及海洋光通信等领域。本文源自大连理工大学梅亮教授课题组，他们综述了干涉型全光学光声光谱气体传感技术的研究进展，重点探讨了基于法布里-珀罗干涉仪（FPI）的全光学光声光谱技术，分析了目前全光学光声光谱技术的研究挑战和应用瓶颈，并对其未来发展进行了展望。被选为《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊封面文章，同时被收录至《SAME青编委专辑》中。封面解析：本封面展示了一种典型的干涉型全光学光声光谱传感器的工作原理。光声池中的待测痕量气体吸收周期性调制的激励光产生光声信号，引起干涉型光纤声波传感器敏感膜片受迫振动，最终通过光学解调方法可实现待测气体浓度的高灵敏度检测。该传感器通过全光学的光声激发和探测，无需使用电子元器件，具有环境适应性强、灵敏度高、体积小等优点，可在易燃易爆气体检测等领域发挥重要作用。文章链接：宫振峰, 吴国杰, 幸佳伟, 张馨予, 梅亮. 干涉型全光学光声光谱气体传感技术研究进展[J]. 光学学报, 2023, 43(18): 1899911.
痕量气体检测技术在温室气体检测、工业有害气体监测和医学呼吸气分析等应用中发挥着重要作用。以吸收光谱技术为主体的光学检测手段具有响应速度快、灵敏度高等特点，近年来已成为痕量气体检测的研究热点。区别于其他光学检测手段，光声光谱技术是一种间接的光谱检测技术、一种无背景噪声的吸收光谱技术，具有灵敏度高、响应时间快和气体选择性强等特点。此外，光声系统结构相对简单，不需要复杂的光路校准过程，因此光声光谱技术已成为痕量气体检测的一种重要技术手段。近年来，融合光纤传感技术与光声光谱技术的全光学光声光谱（AOPAS）气体检测技术得到迅速发展。AOPAS技术采用光学声波传感器对极其微弱的光声信号进行探测，在较小的传感体积内实现了气体浓度的高灵敏度探测，同时避免了使用电子探测元件，不受电磁辐射的影响，具有更强的环境适应性。目前，AOPAS气体检测系统中的光学声波传感器主要包括光强衰减型、光纤光栅型以及干涉仪型三类。基于光强衰减原理的光学声波传感器通常采用强度解调，通过测量光功率的衰减量实现光声信号的提取。在基于光纤光栅的光学声波传感中，声学振动引起光栅常数的变化，进而引起光栅反射峰的漂移，漂移量与光声信号大小呈线性关系。基于干涉仪原理的光学声波传感器，利用干涉仪探测由声振动引起的光程差的微小变化，从而实现光声信号的解调。由于基于干涉原理的光学声波传感器具有高信噪比、高灵敏度等优点，基于此类声波传感器的干涉型AOPAS气体检测系统在光声光谱气体检测领域已成为近年来的研究热点，并取得了系列重要成果。基于干涉仪的声波传感器通常主要有四种类型：马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、萨尼亚克干涉仪(SI)、迈克耳孙干涉仪(MI)和法布里-珀罗干涉仪(FPI)。相比于其他三种，FPI中的两束光共用一个光路，结构紧凑，不会因F-P腔以外的影响产生额外光程差，同时由于采用更便于优化的反射式干涉结构，更有助于提高声波探测灵敏度。图1展示了一种典型的膜片式FPI声波传感器结构，采用了新型复合纳米薄膜作为FPI的干涉膜片。采用该声波传感器作为光声系统探测单元，结合近红外二极管激光器和双通道差分T型光声池搭建的AOPAS气体检测系统实现了甲烷气体ppb量级的高灵敏度测量。通过优化敏感膜片的材料、尺寸等参数，还可进一步提高痕量气体的检测灵敏度。图1 基于复合纳米薄膜的光纤FPI声波传感器示意图2.2 基于FPI的高灵敏度全光学QEPAS和共振式CEPAS技术石英增强型光声光谱（QEPAS）技术采用石英音叉（QTF）作为声波探测单元，将QEPAS和FPI声学传感器结合可构建全光学QEPAS气体检测方案。在光纤端面与QTF之间形成FPI，用于检测QTF尖头振动，最终实现痕量气体高灵敏度探测。采用激光微加工制造技术制造微悬臂梁结构光纤声波传感器，将其与共振式光声池结合，可实现共振式悬臂梁增强型光声光谱（CEPAS）技术，如图2所示。由于采用共振式光声池，光声系统体积较大，难以实现一些狭小空间（立方厘米/毫米级别）的痕量气体远距离检测。在光声光谱气体检测技术中，传感探头小型化同样是一个重要的研究课题。图3展示了一种小型化全光学光声气体传感探头，光声信号的激励光源和FPI的探测光源通过波分复用器耦合到一根光纤中，光声信号在FPI结构中的法布里-珀罗腔内产生，并引起硅悬臂梁的振动，从而实现光声信号的测量。该光声探头与近红外分布反馈式激光器以及高速光谱仪相结合，采用白光干涉解调算法，可实现甲烷气体的有效测量，为立方毫米尺度的狭小空间内气体远距离测量提供了一种新的解决方案。气体传感技术发展至今已全面进入实用化阶段。在实际应用中,传感系统的体积功耗、稳定性、环境适应性等均是需要考虑的因素。得益于AOPAS技术的高灵敏度、抗电磁干扰、体积小等特点，AOPAS技术在环境气体监测、变压器故障监测、医学呼吸分析等领域应用前景广阔。图4展示了利用AOPAS气体传感器实现变压器油中溶解气的原位测量。传感器头安装在一个由硅涂层玻璃纤维套管制成的小渗透腔内，溶解气体在其中扩散，而变压器油则被排除在外，通过对模拟放电故障监测产生的乙炔气体进行检测，验证了该方法的实时性。图5展示了一种基于分布反馈式激光二极管和光纤声波传感器结合的全光学光声光谱仪监测呼出甲烷气体的新方法，该全光学光声光谱仪可以准确检测人类呼出的甲烷气体浓度水平，进而辅助判断乳糖不耐症患者。图4 油中溶解气原位测量系统原理图及测试装置。(a) 系统示意图；(b)传感器放大图；(c)气体介质校准试验装置；(d)变压器油校准试验装置；(e)模拟放电故障监测装置图5 基于FPI的AOPAS甲烷呼吸气传感系统示意图近年来，融合光纤传感技术与光声光谱技术的AOPAS气体检测技术得到迅速发展，在载人航天、工业生产、环境气体监测、医学呼吸分析等领域具有广阔的应用前景。针对全光学光声光谱技术的未来发展方向，可从以下几方面考虑：1）采用飞秒激光加工等技术进一步减小全光学光声探头的体积；2）采用优质光源（如光频梳等）进一步提高光声激发效率；3）探索全光学光声光谱技术在易燃易爆等复杂场景下气体检测应用。除了文中提到的内容外，可以预见的是AOPAS技术将继续向着高灵敏度、高稳定性、抗干扰、低成本、小型化等方向发展。编辑 | 王晓琰
6、基于光纤放大增强型光声光谱的H2S与CO2检测技术
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