基于納米雙層薄膜的光子晶體光纖長(zhǎng)周期光柵甲烷傳感特性研究.pdf

1、甲烷是天然氣、沼氣、油田氣及礦井瓦斯的主要成分，檢測(cè)煤礦生產(chǎn)環(huán)境與天然氣的開采、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)中的甲烷氣體濃度，對(duì)于保障安全生產(chǎn)，減少安全事故發(fā)生有著至關(guān)重要的作用。光子晶體光纖長(zhǎng)周期光柵作為一種新型的無(wú)源光纖器件，在光纖傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也為氣體檢測(cè)提供了新的途徑。
　　提出一種基于納米雙層薄膜的光子晶體光纖長(zhǎng)周期光柵（PCF-LPG）甲烷傳感方法，采用局域耦合模理論分析基于納米雙層薄膜的PCF-LPG的甲烷傳感機(jī)理；

2、將有限元法與局域耦合模理論結(jié)合，研究光柵參數(shù)對(duì)傳感器透射譜的影響和敏感薄膜參數(shù)對(duì)傳感器響應(yīng)特性的影響；通過(guò)刻寫PCF-LPG，采用氣壓驅(qū)動(dòng)裝置和靜電自組裝法制備敏感薄膜，形成PCF-LPG甲烷傳感器；開展甲烷傳感實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)傳感器性能。主要內(nèi)容包括：
　?。?）結(jié)合有限元法與局域耦合模理論，仿真分析PCF-LPG甲烷傳感器的光柵參數(shù)和敏感薄膜參數(shù)對(duì)其傳感特性的影響。利用有限元法分析PCF-LPG光柵區(qū)內(nèi)場(chǎng)分布的情況，求解纖芯基模和包

3、層模式的有效折射率與傳播常數(shù)，使用局域耦合模理論求解纖芯基模與包層模式之間的耦合系數(shù)，仿真得到PCF-LPG甲烷傳感器的透射譜。表明傳感器空氣孔涂覆的敏感薄膜折射率從1.55減少至1.53，透射譜諧振波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生藍(lán)移，并且當(dāng)敏感薄膜厚度在200nm左右時(shí)，傳感器的靈敏度最高。
　?。?）研究甲烷濃度對(duì)cryptophane-A-6Me、含碳納米管的靜電自組裝薄膜組成的敏感薄膜折射率的影響；實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)甲烷濃度從0％增加至3.

4、5%時(shí)，敏感薄膜折射率減小值為0.0049RIU。通過(guò)對(duì)比不同方案制作得到的PCF-LPG并測(cè)試透射譜，配制敏感膜涂覆溶液，采用氣壓驅(qū)動(dòng)裝置在PCF-LPG的包層空氣孔內(nèi)表面涂覆敏感薄膜，制作PCF-LPG甲烷傳感器。
　　（3）在0%-3.5%的甲烷濃度范圍內(nèi)，對(duì)制作的不同敏感薄膜厚度的PCF-LPG甲烷傳感器進(jìn)行測(cè)試，表明甲烷氣體濃度的增加會(huì)導(dǎo)致敏感薄膜折射率的降低，從而使傳感器透射譜的諧振波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移，并且隨著敏感薄膜厚度的