微型光纖干涉型氫氣傳感器關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)用價(jià)值。由于其自身易燃易爆的缺點(diǎn)，利用本質(zhì)安全的氫氣傳感器來檢測(cè)其泄漏成為人們?nèi)找骊P(guān)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(diǎn)，成為目前研究的熱點(diǎn)。其中，干涉型光纖氫氣傳感器已有長(zhǎng)期的研究工作，其具有測(cè)量精度高、重復(fù)性好、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但不適合在某些安裝位置狹小或?qū)鞲衅骷苫筝^高的場(chǎng)合應(yīng)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(xì)管封裝的方法制作，其制作工序復(fù)雜，不利于批量生產(chǎn)。飛秒激光微加工技術(shù)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(shù)。
　　 本文對(duì)微型光纖干涉型氫氣傳感器深入研究，對(duì)飛秒激光微加工及磁控濺射鍍膜技術(shù)進(jìn)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(jié)構(gòu)的氫氣傳感器，建立光學(xué)設(shè)計(jì)模型，理論分析其傳感性能，實(shí)驗(yàn)研究該傳感器的氫氣

3、響應(yīng)特性，驗(yàn)證這種氫氣檢測(cè)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(shù)相結(jié)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(jì)算機(jī)準(zhǔn)確控制飛秒激光微加工腔長(zhǎng)，具有精度較高、重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，且這類干涉型光纖氫氣傳感器本質(zhì)安全，制作簡(jiǎn)單，靈敏度較高，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸一般為微米級(jí)，適用于空間有限的場(chǎng)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。微結(jié)構(gòu)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(huì)直接影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。
　　 (3)設(shè)計(jì)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(xué)模型計(jì)算其不同條件下光譜變化，詳細(xì)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(yīng)特性。在微加工腔長(zhǎng)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(zhǎng)漂移率為～0.155 nm/％。實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，因此在光纖氫氣傳感領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)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(xì)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(xué)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(duì)不同氫氣濃度的響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)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(shí)，在1298.42 nm的波長(zhǎng)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(cè)反射光譜變化的方法，傳感頭結(jié)構(gòu)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(xì)闡述了其工作原理，模擬分析結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其性能的影響，并研究了其氫氣濃度響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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