编者按：中国光学学会激光光谱学专业委员会精心策划“激光光谱”专题，第三批论文于《光学学报（网络版）》2026年第8期正式出版。本文源自本期封面文章。
封面展示了一个基于光纤网络的多点氢气监测场景，多个传感探头分布于不同的氢气应用环境中，对装置周围的氢气浓度进行实时感知。画面中的光路将中心检测系统与各个探头连接起来，对应多通道光信号在不同监测点之间的传输与切换。不同位置悬浮的信号曲线对应各探头获取的检测信号及算法拟合得到的二次谐波，用于表征各监测点的氢气浓度变化。下方放大的局部结构示意了光与氢分子在纳米光纤区域中的拉曼相互作用过程。
全文链接：陈非凡, 靳伟, 齐云, 廖翰宇, 姜寿林, 何海律, 居剑, 刘俊阳, 王佳楠, 李明, 王晓霖. 纳米光纤受激拉曼光谱的偏振不敏感多点氢气传感技术[J]. 光学学报（网络版）, 2026, 3(8): 0812001.
本篇稿件处理周期：外审：16天；录用：44天；网络首发：45天；正式出版：122天
在氢燃料电池系统或储氢装置中，即使是极微弱的氢气泄漏，也可能在短时间内迅速扩散，形成安全隐患。由于氢气无色无味、扩散速度快且点燃能量极低，传统依赖人工或单点传感的方式往往难以及时发现早期泄漏。因此，如何在复杂环境中实现痕量氢气的实时、稳定监测，成为氢能安全应用中的关键问题。
目前常见的氢气检测方法包括电化学传感、金属氧化物半导体检测以及热导检测等。这些方法虽然结构简单、成本较低，但普遍存在交叉敏感、长期漂移以及环境适应性不足等问题，难以满足长期在线监测需求。基于红外吸收的光学方法具有较好的选择性，但由于氢分子吸收截面较小，在低浓度条件下灵敏度有限。
相比之下，基于分子拉曼跃迁的光学检测方法具有良好的分子特异性和抗干扰能力，能够实现高选择性检测；特别是纳米光纤，其亚波长结构所产生的强倏逝场，可显著增强光与气体分子的相互作用，为构建高灵敏氢气传感器提供了重要基础。然而，在实际应用中，纳米光纤受激拉曼检测仍面临偏振波动、激光器波长漂移以及弱信号易受噪声干扰等问题，限制了其稳定性与工程应用能力。
针对上述问题，研究团队提出了一种基于纳米光纤受激拉曼光谱的偏振不敏感多点氢气检测方法，从偏振稳定、波长漂移补偿以及信号反演三个方面对系统进行了系统性优化。
首先，在偏振稳定方面，纳米光纤中的受激拉曼增益对泵浦光与斯托克斯光的相对偏振状态高度敏感，环境扰动会导致偏振随机变化，从而引起信号波动。为解决这一问题，研究团队在泵浦光路径中引入高速光纤扰偏器，使泵浦光偏振在测量时间内快速随机变化，从而实现对不同偏振状态的平均响应。这种“等效偏振平均”方法有效削弱了偏振对拉曼增益的影响，使系统表现出近似偏振不敏感的特性。实验结果表明，在未使用扰偏器时，信号波动可达均值的±13%左右；而引入扰偏器后，波动降低至约±1.6%，稳定性提升约一个数量级。
图1 扰偏器关闭与开启对信号稳定性的影响
其次，在波长漂移补偿方面，双激光器在长时间运行过程中会出现温漂和电流波动，导致泵浦光与斯托克斯光之间的频率差偏离氢气拉曼共振位置，从而引起信号衰减甚至失真。针对这一问题，研究团队提出了一种基于归一化互相关的卷积寻峰算法。通过将实时测量信号与预先获取的标准波形进行匹配，计算两者之间的最优位移，并将该位移反馈至激光器控制模块，实现波长的动态调节。该方法构建了“信号匹配—偏移提取—反馈控制”的闭环过程，使系统能够实时锁定在拉曼共振附近，从而显著提升了长期运行稳定性。
图2 基于卷积的波长偏移补偿与信号提取
再次，在弱信号条件下的浓度反演方面，传统方法通常采用峰-峰值提取信号幅度，但该方法仅依赖少数采样点，对噪声和基线漂移非常敏感。为此，研究团队采用最小二乘全波形拟合方法，将测量波形与标准波形进行整体拟合，并引入基线项对系统漂移进行补偿。该方法能够充分利用整段波形信息，提高对噪声的鲁棒性，并有效区分信号变化与背景漂移。实验结果显示，在低信噪比条件下，该方法将浓度结果的相对标准偏差由约25.95%降低至11.23%，稳定性提升约2.3倍。
在系统结构方面，研究进一步结合1×4光开关实现多探头时分复用，使同一系统能够对多个空间位置进行轮询测量。实验中，四个探头依次暴露于氢气环境，系统能够清晰响应各通道的浓度变化，且通道之间未观察到明显串扰。同时，在气体进入和移除过程中，系统表现出良好的动态响应能力，验证了其在多点分布式监测中的可行性。
图3 基于光开关时分复用的四通道氢气实时检测结果
总体来看，该研究不仅利用纳米光纤平台实现了高灵敏氢气检测，还通过一系列稳定化与算法优化手段，使系统在复杂环境中具备更强的抗扰动能力，为纳米光纤拉曼气体传感技术向工程应用迈进提供了重要支撑。
未来工作将进一步围绕系统的工程化与实际应用需求展开。一方面，可通过优化光源稳定性、改进纳米光纤封装结构以及提升系统抗环境扰动能力，进一步降低长期运行中的漂移和噪声影响；另一方面，可扩展更多探测通道，并结合光纤网络实现更大范围的分布式监测。此外，针对更低浓度条件，可通过优化信号处理算法与系统参数，提高检测灵敏度与响应速度。该技术在氢能储运安全、工业过程监测以及复杂环境气体感知等领域具有良好的应用前景。
靳伟，香港理工大学电机及电子工程学系讲座教授、光子研究中心副院长。美国光学学会会士（Optica Fellow）、IEEE及SPIE资深成员，并入选国家杰出青年科学基金及教育部长江学者计划。长期致力于光纤传感、激光光谱学及高灵敏度气体传感技术的研究。
陈非凡，香港理工大学电机及电子工程学系博士后。本科毕业于华中科技大学，博士毕业于香港理工大学。主要研究方向为微结构光纤气体光谱学及电池气体传感技术。
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