基于中红外光子集成芯片的表面增强气体吸收光谱的研究

On-chip infrared absorption spectroscopy for gas sensing has numerous promising applications in artificial intelligence, distributed environmental monitoring networks, and portable explosive detection devices. However, the sensitivity of traditional on-chip gas sensors based on evanescent wave absorption spectroscopy is limited to 10-100 ppm, due to the high optical absorption loss of waveguides. In this project, the PI aims to study a surface-enhanced gas absorption spectroscopy based on a mid-infrared photonic chip. The PI plans to study the in-plane excitation and measurement of localized surface plasmon resonance (LSPR) in graphene, enhance the absorption cross-section of a gas molecule through graphene’s LSPR, develop a method to detect and analyze on-chip surface-enhanced infrared absorption spectroscopy for gas sensing. After finishing this project, the PI will clarify the interaction between the propagating light in the waveguide and surface plasmons in graphene and provide a better understanding about the absorption mechanism of graphene-adsorbed gas molecules to graphene’s surface plasmons. The proposed project is expected to improve the sensitivity of on-chip infrared absorption spectroscopy, extend the scope of its applications, and promote the development of compact smart gas sensors.

片上集成的气体吸收光谱检测在人工智能、分布式环境监测网络、小型爆炸物探测器等方面具有广阔的应用前景。然而，由于受到波导光学损耗的限制，传统的波导倏逝波气体吸收光谱的检测灵敏度仅为10-100 ppm量级。本项目中，申请人拟研究一种基于中红外光子集成芯片的表面增强气体吸收光谱测量方法。申请人拟采用平面耦合的方法实现石墨烯局域表面等离激元共振在片上的激发和测量；利用石墨烯局域表面等离激元共振增强吸附于石墨烯表面的气体分子对中红外光子的吸收截面；研究开发片上集成的表面增强红外吸收光谱的测量和分析方法。本项目将阐明波导中的传播光和波导集成的石墨烯表面等离子体的平面耦合作用，更好地揭示吸附于石墨烯表面的气体分子对石墨烯表面等离子体的吸收作用机制。本项目的完成将提高片上红外吸收光谱检测的灵敏度，拓展红外吸收光谱检测的应用范围，推动小型智能气体传感器的发展。

光谱分析是研究物质结构的重要手段，被广泛用于分析生物化学分子成分和浓度信息，极具科研和应用价值。由于光波长（微米量级）与分子（纳米量级）的空间失配程度较高，致使光与物质的相互作用通常较弱，且光学系统通常结构复杂、造价昂贵，因此，传统光谱分析技术通常具有测量灵敏度不高、对实验环境要求较高、便携性较差等问题。为解决上述问题，本项目将集成光学技术（包括：硅基波导和微光纤）和纳米材料（包括：石墨烯和上转换发光纳米颗粒）相结合，研究了波导中的传导光与波导表面集成的纳米增敏材料的相互作用，研发了新型的气体分子光谱测量方法和传感技术。一方面，利用集成光学技术实现关键光学测量系统的小型化应用，另一方面，采用纳米材料实现对待测分子的增敏传感。具体来讲，首先，设计了多模波导集成的石墨烯器件，研究了不同波导模式与石墨烯纳米带的相互作用，研发了多模电光调制器件和多参量气体传感器件；其次，基于多模波导集成的石墨烯器件，提出了一种电场辅助的共振扫描光谱技术，设计了对环境温度不敏感的折射率气体传感，理论灵敏度可达到7.39×10-4 RIU，误差仅为2%；然后，创建了一套多功能光子芯片检测系统，可实现在多种物理场（气体、温度、光照等）调控下波导器件的光电测试，实验研究了硅基波导集成的气体传感器件；最后，研究了基于铥离子掺杂的上转换发光纳米颗粒水分子探针，实现了灵敏度达到6.141%/vol%和3.932%/vol%水分子和重水分子测量，研发了微光纤集成的上转换发光纳米颗粒水分子气体传感器件。本项目的完成将推动高灵敏度、便携式分子检测仪器的发展，在传感器物联网、信息通信技术、即时检测等诸多领域将具有广阔的应用前景。