CN110389122A - 一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，包括光纤，所述光纤的一端为光纤探头，光纤的另一端设置光源和探测器；所述光纤探头的端面为具有倾斜角度的端面，光纤探头的端面上设置结构周期性布置的超材料层，所述超材料层上设置荧光探针；所述光纤探头侧面设置由氢敏材料制成的氢敏层；所述氢敏层膨胀后，拉伸超材料层从而改变超材料的周期。采用本发明的一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，采用超材料共振耦合方式，可以得到很高的检测灵敏度；与光纤集成，采用光纤传输光学信号，体积小，可满足不同场所的氢气检测需求。

Description

一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器
技术领域
本发明涉及一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，属于气敏元件技术领域。
背景技术
氢能源是可再生清洁能源，是保障能源可持续性的有效途径。2010年5月在德国埃森召开第十八届世界氢能大会，中国科技部部长万钢指出：中国要制定国家氢能规划，加大对氢能的投入，扩大氢能的示范和应用，加强氢能的国际合作。2010年7月12日，世界首座氢能源发电站在意大利建成投产，标志着氢能的利用已经进入实质化阶段。由于氢气的优良特性，在其他领域也有广泛的应用，例如地震监测、高纯度硅晶片的生产、含氢化工产品生产、石油提炼、金属焊接等。
但是，氢气是一种高危气体，常温常压下，若空气中氢气的含量位于4％-74.5％之间，极有可能引发火灾、爆炸等事故，威胁人身财产安全。此外，核电站周围环境中氧气、氢气、湿度等都影响着核材料的健康状态，其中氢气对其影响尤为显著。氢气是封装核材料的金属外壳、核材料附近的金属部件和核材料本身被水汽腐蚀的产物，而且生成的氢气还会进一步腐蚀核材料和许多金属部件。准确有效地对核电站周围环境中氢气浓度实时监测，对核电站的健康运行有着重大意义。
近期研究表明，地震前期，裂缝涌出气体中氢气浓度会有所增加，准确地测量氢气浓度信息，对研究地震过程、预报地震等具有重大意义。
超材料指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。
为了保障氢气产生、储存、运输和使用过程中的安全性，扩大氢气的应用领域，研究一种抗干扰能力强、灵敏度高、反应时间短、稳定性高、可靠性好、体积小、成本低的氢气传感器具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，本发明可以提高目前光学氢气传感器的检测灵敏度，实现室温下对氢气的高灵敏检测。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，包括光纤，所述光纤的一端为光纤探头，光纤的另一端设置光源和探测器；
所述光纤探头的端面为具有倾斜角度的端面，光纤探头的端面上设置结构周期性布置的超材料层，所述超材料层上设置荧光探针；所述光纤探头侧面设置由氢敏材料制成的氢敏层；
所述氢敏层膨胀后，拉伸超材料层从而改变超材料的周期。
在上述方案中，光源发出入射光通过光纤传输到光纤探头的端面与超材料共振耦合，形成表面局域光场，激发超材料层表面的荧光探针发出荧光，荧光通过光纤传输至探测器；氢敏层的氢敏材料吸附氢气后体积会发生膨胀，从而拉伸光纤探头的端面超材料改变其周期，进而改变入射光与超材料的共振耦合关系，使得表面局域光场强度发生变化，荧光探针的发光强度也随之变化，但是超材料对荧光的透射系数不变，通过探测到的荧光强度表征周围环境中的氢气浓度。
需要说明的是，光纤探头的端面具有一定倾斜角度才能使超材料与入射光共振耦合，形成表面局域光场。
作为优选，所述光纤，通过环形器与光源和探测器连接；进一步的，所述探测器与数据处理显示终端连接。
在上述方案中，数据处理显示终端接收到探测器所探测的数据经过处理分析直接显示处理。
作为优选，所述荧光探针为将荧光纳米粒子封装在超材料的表面。
作为优选，所述光纤为单模石英光纤。
作为优选，所述光源为激光光源，激光光源为窄线宽激光光源。
作为优选，所述光纤探头的端面倾斜角度为2-30°。
在上述方案中，通过设计入射光波长及超材料，在光纤探头的端面倾斜角度为2-30°使超材料与入射光共振耦合。
通过控制超材料的尺寸和入射光的波长可以改变超材料的共振角度，得到所需光纤探头的端面倾斜角度。
作为优选，光纤探头的端面倾斜角度为8°，采用8°的倾斜角度是因为，现阶段光纤的端面8°产品比较广泛，产品比较成熟。
作为优选，所述超材料层为二氧化钛超材料。
作为优选，所述超材料层为脊型超材料层。
作为优选，所述脊型超材料的周期为300-500纳米，厚度为150-180纳米，脊型高度为15纳米-150纳米。
在上述方案中，脊型周期型设置的超材料层，通过如此设置，可以将入射光与超材料共振耦合后，产生的局域光场仅仅局限在超材料层表面，从而使荧光探针激发产生的荧光更稳定，有利于测试的稳定性。
作为优选，所述氢敏层厚度位10纳米-100纳米。
作为优选，所述氢敏层的材质为钯基合金。
作为优选，所述钯基合金为钯金合金或钯钇合金。
本发明的一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器的制作步骤：
1、将光纤端面切割出所需的倾角；
2、使用超材料将超结构制备在具有倾角的光纤端面上，在光纤侧边制备氢敏层；
3、将荧光纳米粒子封装在超材料的表面，制成荧光探针；
本发明的一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，将光纤探头置于待测环境中，氢敏材料吸附氢气后体积会发生膨胀，从而拉伸光纤探头的端面超材料改变其周期，进而改变超材料与入射光的共振耦合状态，从而改变荧光纳米粒子的荧光强度，实现对待测环境中氢气浓度的检测。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、采用超材料共振耦合方式，可以得到很高的检测灵敏度，与传统的钯膜反射式氢气传感器相比，灵敏度可以提升2-3个数量级；
2、与光纤集成，采用光纤传输光学信号，体积小，可满足不同场所的氢气检测需求。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器光纤探头截面示意图；
图2是COMSOL软件建立的氢气传感器模型；
图3是入射光波长为450纳米，改变入射角度时，透射系数随入射角度的变化关系；
图4是入射光波长为550纳米，改变入射角度时，透射系数随入射角度的变化关系。
图中标记：1-光纤、2-超材料层、3-荧光探针、4-氢敏层、a-超材料层的脊型高度、b-超材料层的厚度、c-光纤纤芯、d-超材料、e-空气。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
本实施例的一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，包括单模石英光纤，光纤的一端为光纤探头，光纤的另一端设置窄线宽激光光源和探测器；
光纤探头的端面为具有8°倾斜角度的端面，光纤探头的端面上设置超材料层，所述超材料层为二氧化钛脊型超材料层，周期为400纳米，厚度为176.5纳米，脊型高度为15纳米。超材料层上设置荧光探针。
光纤探头侧面设置由钯金合金制成的氢敏层，氢敏层厚度位10纳米。
如图2建立模型，空气层的厚度为1.2微米，光纤探头中石英的厚度为1.2微米，二氧化钛超材料层厚度为176.5纳米，脊型高度设置为15纳米，周期为400纳米。
其中，空气的折射率为1，石英的折射率为1.46，二氧化钛的折射率为2.22，入射光波长为450纳米，沿石英端向空气端方向入射，光速设置为3×108米/秒，计算透射系数随入射角度的关系；
如图3所示，图中给出透射系数与入射角度的关系，可见，入射光波长为450纳米时超材料的共振角度为8°，在具有8°倾角的光纤端面上制备超材料层，入射光波长为450纳米情况下，超材料将于入射光共振耦合，在其表面形成较强的局域光场，进而激发荧光纳米材料，产生较强的荧光，荧光并不与超材料共振耦合，能够较好的透射过超材料，耦合至光纤中，进而被探测。
实施例2
本实施例的一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，包括单模石英光纤，光纤的一端为光纤探头，光纤的另一端设置窄线宽激光光源和探测器；
光纤探头的端面为具有22°倾斜角度的端面，光纤探头的端面上设置超材料层，所述超材料层为二氧化钛超脊型超材料层，周期为400纳米，厚度为176.5纳米，脊型高度为15纳米。超材料层上设置荧光探针。
光纤探头侧面设置由钯钇合金制成的氢敏层，氢敏层厚度位50纳米。
如图2建立模型，空气层的厚度为1.2微米，光纤探头中石英的厚度为1.2微米，二氧化钛超材料层厚度为176.5纳米，脊型高度设置为15纳米，周期为400纳米。
其中，空气的折射率为1，石英的折射率为1.46，二氧化钛的折射率为2.22，入射光波长为450纳米，沿石英端向空气端方向入射，光速设置为3×108米/秒，计算透射系数随入射角度的关系；
如图4所示，图中给出透射系数与入射角度的关系，可见，入射光波长为550纳米时超材料的共振角度为22°，在具有22°倾角的光纤端面上制备超材料，入射光波长为550纳米情况下，超材料将于入射光共振耦合，在其表面形成较强的局域光场，进而激发荧光纳米材料，产生较强的荧光，荧光并不与超材料共振耦合，能够较好的透射过超材料，耦合至光纤中，进而被探测。
综上所述，采用本发明的一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，采用超材料共振耦合方式，可以得到很高的检测灵敏度，与传统的钯膜反射式氢气传感器相比，灵敏度可以提升2-3个数量级；与光纤集成，采用光纤传输光学信号，体积小，可满足不同场所的氢气检测需求。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：包括光纤，所述光纤的一端为光纤探头，光纤的另一端设置光源和探测器；
所述光纤探头的端面为具有倾斜角度的端面，光纤探头的端面上设置结构周期性布置的超材料层，超材料层上设置荧光探针；所述光纤探头侧面设置由氢敏材料制成的氢敏层；
所述氢敏层膨胀后，拉伸超材料层从而改变超材料的周期。
2.如权利要求1所述的基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：所述光纤为单模石英光纤。
3.如权利要求1所述的基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：所述光源为激光光源，激光光源为窄线宽激光光源。
4.如权利要求1所述的基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：所述光纤探头的端面倾斜角度为2-30°。
5.如权利要求1所述的基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：所述超材料层为二氧化钛超材料层。
6.如权利要求1所述的基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：所述超材料层为脊型超材料层。
7.如权利要求6所述的基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：所述脊型超材料的周期为300-500纳米，厚度为150-180纳米，脊型高度为15纳米-150纳米。
8.如权利要求1所述的基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：所述氢敏层厚度位10纳米-100纳米。
9.如权利要求1所述的基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：所述氢敏层的材质为钯基合金。
10.如权利要求9所述的基于超材料的荧光增强型全光纤氢气传感器，其特征在于：所述钯基合金为钯金合金或钯钇合金。
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