微納及有源光纖氫傳感器研究.pdf

1、近年來，隨著氫能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對儲氫室及含氫作業(yè)環(huán)境中(如車間、礦井等)氫氣濃度進行監(jiān)測至關重要。傳統(tǒng)電學氫傳感器有可能引發(fā)電荷堆積、電磁效應甚至電火花，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引起光強、相位和偏振態(tài)等參量的變化實現(xiàn)氫氣濃度檢測。與電學傳感器相比，光纖氫氣傳感器具有本質(zhì)安全的優(yōu)點。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等問題，同時，氫敏薄膜

2、在低溫下活性較差，使光纖氫傳感器無法滿足航空航天等關鍵領域的應用要求。
　　針對以上問題，基于微納光纖的倏逝場效應，本文分別提出并實現(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提升鈀膜活性，在低溫條件下實現(xiàn)了對氫氣濃度的檢測。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，并通過光纖倏逝場轉(zhuǎn)化為光柵中心波長變化。氫氣濃度為5％時，光柵透射峰漂移達到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行光纖拉錐，通過對電極放電強度、放電時間等參數(shù)實現(xiàn)對光纖錐型的靈活控制，形成單錐式干涉儀結(jié)構(gòu)并進行鈀膜涂敷，制成氫傳感器。由于相互干涉的基模與高階模倏逝場強度不同，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%時其透射譜漂移達到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。當注入泵浦光時，鉺/鐿共摻光纖強烈吸收并產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度達到室溫以上，提升金屬鈀的吸氫活性，薄膜發(fā)生膨脹并拉伸光纖，使光柵的周期及對應中心波長發(fā)生改變。在溫度為-50℃