Fiber-tip photothermal transducer with gold-coated multi-beam interferometric cavity for high sensitivity gas detection

材料科学 干涉测量 光热治疗 传感器 光纤 灵敏度(控制系统) 光电子学 光学 梁(结构) 纤维 纳米技术 复合材料 声学 物理 电子工程 工程类
作者
Sixiang Ran,Wenjun Ni,Chunyong Yang,Zhongke Zhao,Z.H. Jiang,Q. Lin,Bingze He,Rongqian Wu,Perry Ping Shum
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:126 (6)
标识
DOI:10.1063/5.0240821
摘要

The power-boosted laser transmitted via a fiber tip sinusoidally excites the target trace molecules, generating a photothermal (PT) effect. The Gaussian-distributed plane wave heats the medium adjacent to the Fresnel reflection surface. Meanwhile, a continuous probe light traverses the heating field, and the periodic temperature change then modulates the phase of the probe light. A multi-beam interferometer formed by aligning the Fresnel reflection surface to a gold-coated high-reflection surface possesses high resolution and sensitivity, significantly enhancing the detection performance. A well-established theoretical model of instantaneous PT transduction and optical phase modulation is employed to obtain the optimized interferometric configuration. To validate the effective interferometric phase transformation within the cavity, a comparison is made between the simple silicon cavity and the gold-coated cavity. The limitation of detection of such extrinsic fiber-tip PT sensors indicates one magnitude lower as compared to the conventional PT interferometric gas sensor with such robust and compact sensing designs. This work lays a solid foundation for future research on gas laser phase modulators and nonlinear laser–matter interactions.
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