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近赤外・中赤外域でのメタンと二酸化炭素の検出を目的とした抗レゾナント中空ファイバを用いたデュアルガスセンサ
Antiresonant Hollow-Core Fiber-Based Dual Gas Sensor for Detection of Methane and Carbon Dioxide in the Near- and Mid-Infrared Regions.
PMID: 32650459 DOI: 10.3390/s20143813.
抄録
本研究では、近・中間赤外領域で動作するシリカ系抗レゾナント中空コアファイバ(ARHCF)を用いたレーザベースのデュアルガスセンサを初めて開発した。直径84μmの空芯を持つ長さ1mのファイバーを、シンプルでよく知られた波長変調分光法(WMS)を利用したセンサー構成の低容量吸収セルとして実装した。ファイバーにメタン(CH)と二酸化炭素(CO)の混合ガスを充填し、それぞれ3.334μmと1.574μmの遷移をターゲットとした両ガスの同時検出が可能であることを実証した。ファイバの優れた誘導特性と低バックグラウンドノイズにより、提案したセンサは、CHでは24億分の1体積、COでは144億分の1体積まで検出限界を達成した。この結果は、ARHCFが広いスペクトル範囲のガスセンシングアプリケーションで効率的に使用できることを証明している。低損失であることが実証されたため、1メートル以上の長さを持つこのようなファイバーは、バルク光学系ベースのマルチパスセルの代わりに、レーザ-ガス分子の相互作用経路を増やすために使用することができ、必要とされる柔軟性、コンパクトさ、信頼性、センサの感度向上を実現します。
In this work, we present for the first time a laser-based dual gas sensor utilizing a silica-based Antiresonant Hollow-Core Fiber (ARHCF) operating in the Near- and Mid-Infrared spectral region. A 1-m-long fiber with an 84-µm diameter air-core was implemented as a low-volume absorption cell in a sensor configuration utilizing the simple and well-known Wavelength Modulation Spectroscopy (WMS) method. The fiber was filled with a mixture of methane (CH) and carbon dioxide (CO), and a simultaneous detection of both gases was demonstrated targeting their transitions at 3.334 µm and 1.574 µm, respectively. Due to excellent guidance properties of the fiber and low background noise, the proposed sensor reached a detection limit down to 24 parts-per-billion by volume for CH and 144 parts-per-million by volume for CO. The obtained results confirm the suitability of ARHCF for efficient use in gas sensing applications for over a broad spectral range. Thanks to the demonstrated low loss, such fibers with lengths of over one meter can be used for increasing the laser-gas molecules interaction path, substituting bulk optics-based multipass cells, while delivering required flexibility, compactness, reliability and enhancement in the sensor's sensitivity.