基于表面等離子體共振理論的光纖氫氣傳感器的研究.pdf

1、氫能作為一種高效、無(wú)污染的可再生能源吸引了越來(lái)越多的關(guān)注,但氫氣是易泄漏的、易燃的、易爆的,在空氣中氫氣的爆炸下限為4％。因此,制備用于實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的氫氣傳感器是特別重要的。與其它類型的氫氣傳感器相比,光纖氫氣傳感器具有小型化、耐腐蝕、抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn),而且能夠在潛在爆炸的危險(xiǎn)環(huán)境中操作使用,是用于氫泄漏檢測(cè)非常有前途的裝置。與傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)技術(shù)相比,表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技術(shù)具有

2、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),光纖SPR技術(shù)提供了一種安全、可靠和高靈敏度的傳感技術(shù),可用于易燃或爆炸性氣體的遠(yuǎn)程測(cè)量。
　　論文的主要研究工作可概括如下:
　　綜述了光纖氫氣傳感器和氫敏薄膜的國(guó)內(nèi)外研究狀況,總結(jié)了各種類型光纖氫氣傳感器和氫敏薄膜的特點(diǎn),提出了光纖SPR氫氣傳感器的研究?jī)?nèi)容。
　　從麥克斯韋方程組和物質(zhì)方程出發(fā),推導(dǎo)了在吸收介質(zhì)中和發(fā)生全反射時(shí)在透明介質(zhì)中的漸逝波的電場(chǎng)表達(dá)式,以及由漸逝波激發(fā)的沿金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑?/p>

3、的表面等離子體波的電磁場(chǎng)表達(dá)式。根據(jù)電磁場(chǎng)邊界條件和反射定律及折射定律,推導(dǎo)了單層薄膜和多層薄膜的反射率公式。探討了SPR發(fā)生的條件和激發(fā)方式。
　　建立了光纖SPR氫氣傳感器的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)光線理論在平面光學(xué)框架內(nèi)推導(dǎo)出了光纖SPR傳感器的歸一化輸出功率表達(dá)式。研究了光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)、各層膜類型和厚度、傳感區(qū)域長(zhǎng)度對(duì)SPR曲線的影響,在綜合考慮靈敏度、信噪比、響應(yīng)時(shí)間和共振深度以及SPR曲線形狀的前提下設(shè)計(jì)了一個(gè)基于波長(zhǎng)調(diào)制的光纖

4、SPR氫氣傳感器(傳感層為35納米銀/100納米二氧化硅/180納米三氧化鎢/3納米鉑,傳感區(qū)域長(zhǎng)度10毫米),通過(guò)測(cè)量共振波長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的檢測(cè);并建立了雙通道光纖SPR傳感器的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出了雙通道光纖SPR傳感器的歸一化輸出功率表達(dá)式,設(shè)計(jì)了一個(gè)雙通道光纖SPR氫氣傳感器。仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的雙通道傳感器可以在一套設(shè)備下通過(guò)測(cè)量每個(gè)通道的共振波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同區(qū)域的氫氣濃度的同時(shí)檢測(cè)。仿真結(jié)果證實(shí)合適的調(diào)節(jié)層可以增加共振峰的共振深

5、度。
　　研究了在32℃左右不同配比下氫氟酸腐蝕光纖的腐蝕速率。對(duì)纖芯表面多層薄膜的磁控濺射制備工藝進(jìn)行了研究,調(diào)整了磁控濺射鍍膜機(jī)在不同靶材下的校正系數(shù),并對(duì)Si基薄膜的斷面形貌進(jìn)行了分析。
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備了光纖漸逝場(chǎng)氫氣傳感器以及光纖SPR氫氣傳感器樣品,對(duì)它們的傳感性能進(jìn)行了測(cè)試,標(biāo)定了強(qiáng)度反射率變化量及共振波長(zhǎng)漂移量與氫氣濃度的關(guān)系曲線,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,指出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相差的原因和提出了改進(jìn)措施。