近日，物理学院科研团队在高灵敏微腔气体传感领域取得重要进展，以第一单位在国际顶级综合性期刊《NatureCommunications》上发表题为“Sub-parts-per-billion CO2 Detection based on Dissipative Whispering Gallery Mode Microcavity Sensor”的文章。
论文第一作者为2023级光学工程硕士研究生阮书径，论文通讯作者为物理学院王昊天副教授和蔡廷栋教授，法国滨海大学大气物理化学实验室陈卫东教授参与合作研究。该研究工作获得国家自然科学基金、江苏省基础研究计划等项目的资助支持。
研究成果简述：
回音壁模式微腔具有品质因子高、体积小和光场约束能力强等优势，是实现微型化光学传感的重要平台。然而，气体引起的折射率变化通常十分微弱，基于谐振频移的传统色散型微腔传感方法对激光频率稳定性要求较高；通过在微腔表面引入功能涂层增强气体响应，又可能导致微腔品质因子降低，并带来长期稳定性不足等问题。
针对上述问题，研究团队提出了一种基于非功能化回音壁模式微腔的耗散型气体传感机制，并以二氧化碳检测为例验证了该方法的可行性和检测性能。该方法利用微腔内增强光场放大气体的弱吸收效应，将二氧化碳吸收产生的局域热效应转化为微腔耦合损耗及谐振深度的变化，通过测量透射光强变化实现气体浓度反演。与传统基于谐振频率漂移的检测方法不同，该方案以微腔耗散特性的变化作为传感信息，在无需对微腔表面进行功能化修饰的同时，降低了检测结果对激光频率波动的敏感性。此外，引入调制解调技术有效抑制了系统低频噪声，进一步提高了检测灵敏度。实验结果表明，该传感器在1.5–400 ppm浓度范围内的二氧化碳测量准确度约为0.4%，400 s积分时间下检测限达到168 ppt。研究团队进一步在江苏师范大学校园环境中开展了大气二氧化碳连续监测，测量结果与商用校准分析仪保持高度一致，验证了该传感器在真实环境条件下的稳定性和可靠性。
该研究突破了传统非功能化回音壁模式微腔对气体折射率变化响应弱的限制，为利用微腔耗散效应实现高灵敏痕量气体检测提供了新的技术途径。该方法兼具高灵敏度、结构简单、无需功能化和常压工作的优势，并具有低成本、小型化和进一步集成的潜力，为构建紧凑型、高性能光学气体传感系统提供了新的思路。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75218-y
王昊天副教授：博士毕业于复旦大学，长期从事光学回音壁微腔领域的研究工作，在低噪声激光器、回音壁微腔等领域积累了丰富的研究经验。以第一或通讯作者在Nature Communications、Microsystems & Nanoengineering、Photonics Research等国际权威期刊上发表学术论文30余篇，被引1000余次，单篇最高引用达250次。主持国家自然科学基金青年项目、江苏省自然科学基金等项目，参与国家自然科学基金重点项目、科技部重点项目等多项。曾获得王大珩光学奖、江苏省科学技术二等奖等科技奖项。
蔡廷栋教授：博士毕业于中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，主要从事高灵敏度吸收光谱技术、精密激光光谱及其应用研究。中国光学学会激光光谱专业委员会委员、中国光学工程学会光谱技术及应用专业委员会委员。主持国家自然科学基金项目5项，在Nature Communications、Analytical Chemistry、Optics Letters等国际权威期刊上发表论文70余篇，申获包括中国、美国发明专利在内的各项专利20余项。
（一审：蔡廷栋 二审：张乐 三审：何莉娜）