2023年北京市优博展览 — 仪器学院赵鹏程《高灵敏激光光热干涉光纤气体传感方法及实验研究》

赵鹏程

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赵鹏程，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院2022届博士毕业生，师从樊尚春教授和靳伟教授（联合培养）。攻读博士学位期间，研究方向为光纤传感技术，以第一/通讯作者身份在Nature Communications、Laser & Photonics Reviews、Optics Letters等权威期刊及OFS等顶级会议发表论文10篇，曾获北京市优秀博士论文奖、中国仪器仪表学会奖学金、北航博士生十佳、北航十佳学术论文奖等奖励。其研制的光谱气体传感成果获选 “2020 年中国光学十大进展（应用研究类）”。目前在香港理工大学靳伟教授课题组从事博士后研究工作。

论文围绕提升激光光热光谱气体传感器探测性能、推动光谱气体传感技术向实用化方向发展两个方面，开展了基于微结构光纤的气体传感方法和实验研究。主要内容如下：

（1）提出了一种微结构光纤模式相位差激光光热干涉光谱气体传感方法。建立了基于模式相位差探测的光热干涉气体传感理论，实现了测量下限为万亿分之一量级的全光纤气体传感系统；

（2）首次实现了负曲率反谐振空芯光纤上长周期光栅的制备，阐述了微纳结构的物理形变对其模场调控的机理，获得了目标波长下传输模式的高效选择性激发；

（3）研究了模式相位差对温度的依赖性关系，发现并揭示了温度对微结构光纤光热干涉气体探测的影响机制，给出并实现了提高系统稳定性的解决方案。

针对微结构光纤特有的模式特性，论文研究了光纤模式场与气体相互作用的机理，模式场、微纳结构及外部物理量相互作用的机制等。主要创新性如下：

（1）首次发现并阐明了模式相位差探测在激光光热光谱法中巨大的信噪比提升效应，实现了基于此效应的高灵敏和大动态范围的气体检测，为航空机载氧气性能检测、危险气体报警等，提供了理论基础和技术支持 ；

（2）首次实现负曲率反谐振空芯光纤上长周期光栅的制备，阐述了光纤结构形变对其模场调控的机理，并基于此提高了光热效率 ；

（3）揭示了温度对模式相位差探测的影响机制，提出了补偿技术，实现了宽温度范围气体稳定测量 。

（1） Pengcheng Zhao, Yan Zhao,Haihong Bao, Hoi Lut Ho, Wei Jin*, Shangchun Fan*, Shoufei Gao, Yingying Wang and Pu Wang.Mode phase difference photothermal spectroscopy for gas detection with an anti-resonant hollow-core optical fiber[J]. Nature communications, 2020, 11(1): 1-8.

（2） Pengcheng Zhao*, Hoi Lut Ho, Shangchun Fan, Wei Jin*. Evanescent Wave Lab-on-Fiber for High Sensitivity Gas Spectroscopy with Wide Dynamic Range and Long-erm Stability[J]. Laser & Photonics Reviews, 2023, 2200972.

（3） Pengcheng Zhao, Hoi Lut Ho, Wei Jin*, Shangchun Fan*, Shoufei Gao, Yingying Wang and Pu Wang. Gas sensing with mode phase difference photothermal spectroscopy assisted by a long period grating in a dual-mode negative-curvature hollow-core optical fiber[J]. Optics Letters, 2020, 45(20): 5660-5663.

（4） Pengcheng Zhao, Hoi Lut Ho, Wei Jin*, Shangchun Fan*, Shoufei Gao and Yingying Wang. Hollow-core fiber photothermal methane sensor with temperature compensation[J]. Optics Letters, 2021, 46(11): 2762-2765.

（5）Linhao Guo, Pengcheng Zhao*, Hoi Lut Ho, Shoulin Jiang, Haihong Bao, Shoufei Gao, Yingying Wang, and Wei Jin*. Pump probe alternating photothermal interferometry for two-component gas sensing[J]. Optics Letters, 2023, 48(24), 6440-6443.

（1）建立坚实的基础与不断探索：博士生的创新之旅都始于深厚的基础知识和广泛的探索精神。这包括深入挖掘研究领域，通过文献学习、实验实践及综合思考来逐步构建自己的知识体系。同时，勇于向经验丰富的导师和前辈学习并积极拓展知识边界是提升科研实力的关键。这样的不断学习和探索不仅明确了科研方向，也为跨学科合作和创新提供了坚实的基础。