Photonic integration for opto–acoustic and opto–thermo–elastic sensing

The growing demand for fast, selective, and highly sensitive gas detection systems has driven significant research efforts toward the development of advanced optical sensing technologies. Among these, photonic-based approaches offer intrinsic advantages in terms of selectivity, stability, and detection limits by exploiting molecular-specific absorption features. However, conventional optical gas sensors are often limited by their size, complexity, and cost, which restrict their deployment outside laboratory environments. This Ph.D. dissertation investigates the development of innovative photonic sensing platforms for opto-acoustic and opto-thermo-elastic gas detection, with the overarching goal of bridging the gap between high analytical performance and practical deployability. The research follows a progressive integration pathway, starting from enhancements of established quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) techniques and advancing toward fiber-integrated and semi-integrated photonic systems. First, a beat-frequency QEPAS (BF-QEPAS) approach is introduced to enable rapid and quasi-simultaneous multi-gas detection. By exploiting frequency-detuned laser modulation and tailored signal processing, the proposed method significantly improves measurement speed while preserving sensitivity and linearity. The technique is experimentally validated through the detection of methane and ethane, demonstrating competitive minimum detection limits and robust performance under varying operating conditions. Subsequently, the dissertation addresses optical beam delivery in the mid-infrared spectral region by developing a novel indium fluoride glass fiber combiner. This all-fiber solution enables dual-gas detection using interband cascade lasers and overcomes critical challenges associated with alignment sensitivity and optical losses in the molecular fingerprint region. The system is successfully applied to the detection of carbon dioxide and nitric oxide, confirming its suitability for compact and rugged sensing architectures. Finally, semi-integrated photonic sensing platforms combining silicon nitride waveguides with quartz tuning fork detectors are demonstrated. Both conventional strip waveguides and subwavelength-grating structures are investigated to enhance light–gas interaction while maintaining chip-scale integration. The realization of both QEPAS and light-induced thermoelastic spectroscopy (LITES) within a unified platform highlights the versatility and scalability of the proposed approach. Overall, this dissertation contributes to the advancement of optical gas sensing by demonstrating that high-performance detection can be achieved in compact, robust, and potentially mass-producible photonic systems, paving the way for next-generation sensing solutions in environmental monitoring, industrial safety, and distributed sensing applications.

La crescente richiesta di sistemi di rilevamento dei gas rapidi, selettivi e ad alta sensibilità ha stimolato un intenso sviluppo di tecnologie di sensing ottico avanzate. In questo contesto, gli approcci fotonici offrono vantaggi intrinseci in termini di selettività, stabilità e limiti di rilevazione, grazie allo sfruttamento delle caratteristiche di assorbimento specifiche delle molecole. Tuttavia, i sensori ottici convenzionali risultano spesso penalizzati da dimensioni, complessità e costi elevati, che ne limitano l’impiego al di fuori di contesti di laboratorio. Questa tesi di dottorato è dedicata allo sviluppo di piattaforme di sensing fotonico innovative per il rilevamento opto-acustico e opto-termo-elastico dei gas, con l’obiettivo di colmare il divario tra prestazioni analitiche elevate e applicabilità pratica. Il lavoro segue un percorso di integrazione progressiva, partendo dal miglioramento di tecniche consolidate di quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) fino alla realizzazione di sistemi fotonici integrati e semi-integrati. In una prima fase viene introdotta una tecnica di beat-frequency QEPAS (BF-QEPAS) per il rilevamento rapido e quasi-simultaneo di più specie gassose. Attraverso l’impiego di modulazioni laser a frequenza disaccoppiata e di specifici algoritmi di elaborazione del segnale, la metodologia proposta consente di incrementare significativamente la velocità di misura mantenendo elevata sensibilità e linearità. La validazione sperimentale, condotta su metano ed etano, dimostra limiti di rilevazione competitivi e un funzionamento robusto in diverse condizioni operative. Successivamente, la tesi affronta il problema della distribuzione del fascio ottico nel medio infrarosso mediante lo sviluppo di un innovativo combinatore in fibra di vetro a base di fluoruro di indio. Questa soluzione completamente in fibra permette il rilevamento di due gas utilizzando laser a cascata interbanda e supera le principali criticità legate all’allineamento e alle perdite ottiche nella regione spettrale di fingerprint molecolare. Il sistema viene applicato con successo alla rivelazione di anidride carbonica e ossido nitrico, confermandone l’idoneità per architetture compatte e robuste. Infine, vengono presentate piattaforme di sensing semi-integrate che combinano guide d’onda in nitruro di silicio con diapason al quarzo come rivelatori. Sono investigate sia strutture a guida d’onda convenzionali sia strutture subwavelength, al fine di massimizzare l’interazione luce–gas mantenendo i vantaggi dell’integrazione su chip. La dimostrazione delle tecniche QEPAS e light-induced thermoelastic spectroscopy (LITES) all’interno di un’unica architettura evidenzia la versatilità e la scalabilità dell’approccio proposto. Nel complesso, la tesi dimostra che è possibile ottenere prestazioni di rilevamento elevate in sistemi fotonici compatti, robusti e potenzialmente producibili su larga scala, aprendo nuove prospettive per applicazioni di monitoraggio ambientale, sicurezza industriale e sensing distribuito.