光纖氣體傳感器具有本征安全、不易受環(huán)境影響和遠程遙測等優(yōu)點,在礦井油田、工業(yè)生產(chǎn)中有很大的應用前景。功能納米材料的修飾使得光纖傳感在氣體檢測領域有了更多的研究思路。首先基于工作原理對光纖氣體傳感器進行分類,簡單介紹了光纖氣體傳感器的優(yōu)點及目前的應用情況,然后詳細介紹了4種傳感型光纖氣體傳感器的基本原理與關鍵技術。傳感型光纖氣體傳感器通過拋磨、腐蝕、拉錐等微加工手段改變光纖的結構,輔以特殊納米材料的修飾,可實現(xiàn)超高精度的折射率測量,為光纖氣體檢測技術提供了低檢測限、高靈敏度和特異性的新方法。最后,總結了目前納米材料修飾的光纖氣體傳感器存在的問題以及未來的發(fā)展方向。 

【文章來源】：儀器儀表學報. 2020,41(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：16 頁

【部分圖文】：

MoS2/檸檬酸復合膜包覆LPFG傳感器

等離子體共振傳感技術由于超高精度的折射率(10-6～10-8RIU)測量被廣泛應用于生物醫(yī)學檢測、水質監(jiān)測和氣體傳感等領域。其中表面等離子體 (surface plasmons, SPs)是兩種材料之間的界面上電荷密度振蕩的量子,這兩種材料的介電函數(shù)的實部符號不同,例如金屬-介電界面。表面等離子體的產(chǎn)生是由于入射于金屬表面的電磁輻射與金屬內(nèi)部自由電子的等離子體振蕩的耦合。在電磁場作用下,這種振蕩會受隨機波動的影響,形成一種被限制在垂直于金屬表面的表面波,即表面等離子體波(surface plasmon wave, SPW)。表面等離子體共振是指P偏振光[43](TM偏振光)與金屬的表面等離子體波之間相互耦合產(chǎn)生的共振,其結果是導致符合某一特定條件的光被大量吸收,使反射光強急劇下降[44]。表面等離子體共振現(xiàn)象對外界折射率變化極為敏感,通過監(jiān)測有效折射率的改變對共振波谷的影響,能準確量化測量分子在金屬表面的作用過程(吸附、解離、結合等)。表面等離子體共振的激發(fā)最早是通過Kretschmann棱鏡實現(xiàn)的[45],如圖16(a)所示,包括一個底部鍍有40～50 nm金屬薄層的高折射率玻璃棱鏡,金屬層的另一表面靠近分析物層。P偏振光入射到棱鏡后,玻璃介質中部分光會以倏逝波的形式耦合到底部金屬薄層中,在滿足相位匹配的條件下耦合表面等離子波,導致特定角度的光反射減少,如圖16(b)中的θ1(圖16(b)中的θ0表示臨界入射角);余光將被完全反射,用作測量。棱鏡結構的SPR傳感器測量方式通常有兩種:入射角恒定但改變?nèi)肷涔獠ㄩL或入射光波長不變但改變?nèi)肷浣?兩種方法都要求入射光偏振態(tài)與入射平面平行,使SPW相對于玻璃-金屬界面正交極化,以保證倏逝波與SPW的波矢相匹配。共振時,反射光譜中會觀察到急劇的下降,并且共振角的大小高度相關于分析物層介電函數(shù)(有效折射率),表現(xiàn)為共振波谷的漂移,如圖16(b)中θ1～θ2的過程。Kretschmann棱鏡結構的SPR為傳感器表面的功能化提供了很高的比表面積,已經(jīng)實現(xiàn)了相關技術的成果轉化和商品化生產(chǎn),但由于棱鏡體積龐大以及傳感器布置中的各種運動機械部件限制了它的應用范圍。相比之下,基于光纖的SPR傳感器保持了相同的基本結構和原理,但在體積和結構上更加小巧緊湊,將SPR傳感器的應用范圍擴展至狹小空間環(huán)境,實現(xiàn)對痕量目標物的監(jiān)測[46]。如圖17所示是一個典型的光纖SPR結構,為了在光纖與金屬界面激發(fā)SPR,可采用將光纖彎曲成U型[47],或進行拋磨[48]、腐蝕、拉錐[49]和刻寫光柵[50]等方法,將部分纖芯內(nèi)傳輸?shù)墓獠糠竹詈系焦饫w外部與周圍介質相互作用。常用于制作光纖SPR氣體傳感器的材料除了熟知的貴金屬如Au和Ag外,還有各種半導體金屬氧化物如氧化鋅[51]、氧化錫銦[52]、氧化鈦[53]等和低維材料如石墨烯[54]、碳納米管[55]、黑磷[56]等。

圖18 基于ZnO的D型光纖仿真拋磨制成的D型結構使光纖對外界環(huán)境更加敏感,但側邊拋磨深度過大不可避免地破壞了光纖的圓對稱性,導致機械穩(wěn)定性的降低,容易損壞。為解決這個問題,有學者使用光纖光柵將一部分光耦合出纖芯用來激發(fā)SPR。Wei等[66]將LPFG的柵區(qū)部分腐蝕至100 μm,并在柵區(qū)蒸鍍約50 nm厚的Ag薄膜,然后固定在SiO2基底上。基于化學氣相沉積技術在Cu薄片上制備大面積石墨烯,再用FeCl3和HCl混合溶液溶解Cu薄片,PMMA將石墨烯轉移到LPFG上。氣體濃度變化所引起的外部折射率變化會導致混合模式傳播常數(shù)的變化,從而引起諧振波長的改變。Wei等認為涂覆石墨烯會增加折射率的變化量,進而增強光纖/金屬界面處SPR的強度,獲得更高的傳感器靈敏度。因此Wei等通過實驗對比了未處理LPFG、Ag包覆LPFG、Ag和石墨烯包覆LPFG對CH4的傳感性能,證實了這一預測,實驗結果如圖20所示。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]直線型光纖Sagnac干涉儀聲傳感器及其去噪方法研究[J]. 何樂,豐鑫,吳華明,黃麗貞,肖永生.  儀器儀表學報. 2019(09)
[2]基于表面等離子體共振效應的光子晶體光纖折射率傳感器的研究進展[J]. 范振凱,張子超,王保柱,王瑩瑩,趙榮佳.  激光與光電子學進展. 2019(07)
[3]長周期光柵生物傳感器研究進展[J]. 李秋順,蔡雷,馬耀宏,楊俊慧,楊艷,孟慶軍,史建國.  中國光學. 2018(03)
[4]等離子體共振光纖光柵生物傳感器綜述[J]. 郭團.  光學學報. 2018(03)
[5]錐形光纖SERS探針的工藝優(yōu)化和拉曼光譜增強實驗[J]. 竇心怡,張潔,陳思孟,張曉蕾.  光學學報. 2018(05)
[6]基于可調諧激光吸收光譜技術的硫化氫檢測方法研究[J]. 張楊,范穎,王哲,陳文亮.  電子測量與儀器學報. 2017(12)
[7]空芯光子晶體光纖與單模光纖耦合優(yōu)化及在拉曼氣體檢測中的應用（英文）[J]. 張秀梅,蔣書波,王旭.  紅外與毫米波學報. 2017(06)
[8]飛秒刻寫光纖F-P腔級聯(lián)FBG傳感特性研究[J]. 張雯,孟凡勇,宋言明,婁小平,祝連慶.  儀器儀表學報. 2017(09)
[9]基于銅離子沉積石墨烯涂層錐形光子晶體光纖的硫化氫傳感器[J]. 馮序,楊曉占,黃國家,鄧大申,秦祥,馮文林.  光子學報. 2017(09)
[10]光纖布拉格光柵水下鋼筋腐蝕傳感器[J]. 宋世德,張作才,王曉娜.  電子測量與儀器學報. 2017(07)



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