微納及有源光纖氫傳感器研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著氫能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)氫室及含氫作業(yè)環(huán)境中(如車間、礦井等)氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。傳統(tǒng)電學(xué)氫傳感器有可能引發(fā)電荷堆積、電磁效應(yīng)甚至電火花，使傳感器本身成為不必要的安全隱患。光纖氫傳感器通過在光纖表面鍍上一層氫敏材料——鈀，利用鈀膜吸收氫氣時(shí)引起光強(qiáng)、相位和偏振態(tài)等參量的變化實(shí)現(xiàn)氫氣濃度檢測(cè)。與電學(xué)傳感器相比，光纖氫氣傳感器具有本質(zhì)安全的優(yōu)點(diǎn)。然而光纖氫氣傳感器仍面臨著靈敏度不高和溫度交叉敏感性強(qiáng)等問題，同時(shí)，氫敏薄膜

2、在低溫下活性較差，使光纖氫傳感器無(wú)法滿足航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用要求。
　　針對(duì)以上問題，基于微納光纖的倏逝場(chǎng)效應(yīng)，本文分別提出并實(shí)現(xiàn)了高靈敏度光柵型和干涉型微納光纖氫氣傳感器；另一方面，本文提出了有源光纖光柵氫傳感器方案，利用稀土離子吸收泵浦光引起的熱效應(yīng)提升鈀膜活性，在低溫條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氣濃度的檢測(cè)。具體內(nèi)容包括：
　　第一、微納光纖光柵氫氣傳感器。在熔融拉錐形成的微納光纖上寫制布拉格光柵并進(jìn)行鈀膜涂敷，制成氫傳感器。

3、鈀膜吸氫后介電常數(shù)發(fā)生改變，并通過光纖倏逝場(chǎng)轉(zhuǎn)化為光柵中心波長(zhǎng)變化。氫氣濃度為5％時(shí)，光柵透射峰漂移達(dá)到1.08 nm，比傳統(tǒng)的單模光纖光柵氫氣傳感器提升了26倍。
　　第二、干涉型微納光纖氫氣傳感器。采用光纖微加工工作站進(jìn)行光纖拉錐，通過對(duì)電極放電強(qiáng)度、放電時(shí)間等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖錐型的靈活控制，形成單錐式干涉儀結(jié)構(gòu)并進(jìn)行鈀膜涂敷，制成氫傳感器。由于相互干涉的基模與高階模倏逝場(chǎng)強(qiáng)度不同，鈀吸氫后引起的介電常數(shù)變化引起兩模式之間相位差

4、發(fā)生變化，使透射譜發(fā)生漂移。氫氣濃度為5%時(shí)其透射譜漂移達(dá)到1.99 nm，比傳統(tǒng)的光纖光柵氫氣傳感器高47倍。
　　第三、基于光致熱效應(yīng)的有源光纖光柵低溫氫氣傳感器。通過在高摻雜的鉺/鐿共摻光纖上寫制布拉格光柵并結(jié)合鈀膜沉積，制備了可用于低溫環(huán)境的氫傳感器。當(dāng)注入泵浦光時(shí)，鉺/鐿共摻光纖強(qiáng)烈吸收并產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度達(dá)到室溫以上，提升金屬鈀的吸氫活性，薄膜發(fā)生膨脹并拉伸光纖，使光柵的周期及對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)發(fā)生改變。在溫度為-50℃