微型光纖干涉型氫氣傳感器關鍵技術研究.pdf

1、氫氣作為一種清潔能源，在現(xiàn)代工業(yè)中有著極大的潛在應用價值。由于其自身易燃易爆的缺點，利用本質(zhì)安全的氫氣傳感器來檢測其泄漏成為人們?nèi)找骊P注的問題。光纖氫氣傳感器具有體積小、重量輕、以及抗電磁干擾等優(yōu)點，成為目前研究的熱點。其中，干涉型光纖氫氣傳感器已有長期的研究工作，其具有測量精度高、重復性好、誤差小等優(yōu)點，但不適合在某些安裝位置狹小或?qū)鞲衅骷苫筝^高的場合應用。近年來，光纖氫氣傳感器朝著微型化及高靈敏度方向發(fā)展。并且，傳統(tǒng)的光纖干

2、涉型氫氣傳感器一般利用焊接或者毛細管封裝的方法制作，其制作工序復雜，不利于批量生產(chǎn)。飛秒激光微加工技術為干涉型光纖氫氣傳感器的微型化及高效制作提供了一種新技術。
　　 本文對微型光纖干涉型氫氣傳感器深入研究，對飛秒激光微加工及磁控濺射鍍膜技術進行了深入探討，研究基于Mach-Zehnder、Fabry-Perot、Michelson干涉原理的三種不同微結構的氫氣傳感器，建立光學設計模型，理論分析其傳感性能，實驗研究該傳感器的氫氣

3、響應特性，驗證這種氫氣檢測方法的可行性。本文主要研究工作如下:
　　 (1)提出了利用飛秒激光微加工及磁控濺射鍍膜技術相結合制作微型光纖干涉型氫氣傳感器的方法。利用飛秒激光微加工可以通過計算機準確控制飛秒激光微加工腔長，具有精度較高、重復性好的優(yōu)點，且這類干涉型光纖氫氣傳感器本質(zhì)安全，制作簡單，靈敏度較高，結構緊湊，尺寸一般為微米級，適用于空間有限的場合。
　　 (2)研究了飛秒激光微加工和磁控濺射鍍膜工藝，為微型光纖干

4、涉型氫氣傳感器的制備提供實驗基礎。微結構的加工及氫敏感薄膜的制備是光纖氫氣傳感器制作中很重要的部分，其制作性能的優(yōu)劣會直接影響檢測的準確性及穩(wěn)定性。
　　 (3)設計并研究微型Mach-Zehnder干涉型光纖氫氣傳感器，系統(tǒng)地分析其傳感原理，建立光學模型計算其不同條件下光譜變化，詳細介紹了微型Mach-Zehnder干涉型光纖氫氣傳感器的制備方法，并研究其在不同氫氣濃度下的響應特性。在微加工腔長為40μm，Pd膜厚度為110

5、nm的情況下，Mach-Zehnder干涉型光纖氫氣傳感器的波長漂移率為～0.155 nm/％。實驗表明這種傳感器具有較高的靈敏度，與現(xiàn)有的光纖氫氣傳感器相比，其制作簡單、結構緊湊、體積小，因此在光纖氫氣傳感領域具有潛在應用價值。
　　 (4)研究了一種微型Fabry-Perot干涉型光纖氫氣傳感器的制作方法，詳細分析了基于Fabry-Perot原理的光纖氫氣傳感器的工作原理，建立光學模型分析不同條件下其光譜變化，并研究了這種傳

6、感器對不同氫氣濃度的響應特性。實驗表明，Pd膜厚度為20 nm的F-P光纖干涉儀(L1=20μm，L2=50μm)在氫氣濃度分別為2％，4％，6％，8％時，在1298.42 nm的波長漂移量分別為10 pm，30 pm，100 pm和150 pm。與微型Mach-Zehnder干涉型光纖氫氣傳感器相比，微型Fabry-Perot干涉型光纖氫氣傳感器靈敏度稍低，但是其采用的是檢測反射光譜變化的方法，傳感頭結構更小，更符合微型化發(fā)展要求。<

7、br>　　 (5)研究了基于Michelson原理的微型光纖氫氣傳感器，詳細闡述了其工作原理，模擬分析結構參數(shù)變化對其性能的影響，并研究了其氫氣濃度響應特性。實驗中隨著氫氣濃度增加，樣品在1280 nm和1330 nm的波峰向左漂移，其波長漂移率為-0.155 nm/％和-0.1625nm/％。與基于Mach-Zehnder干涉的微型光纖氫氣傳感器相比，微型Michelson干涉型光纖氫氣傳感器和微型Fabry-Perot干涉型光纖氫