光纖氣體傳感器具有本征安全、不易受環(huán)境影響和遠(yuǎn)程遙測(cè)等優(yōu)點(diǎn),在礦井油田、工業(yè)生產(chǎn)中有很大的應(yīng)用前景。功能納米材料的修飾使得光纖傳感在氣體檢測(cè)領(lǐng)域有了更多的研究思路。首先基于工作原理對(duì)光纖氣體傳感器進(jìn)行分類,簡(jiǎn)單介紹了光纖氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)及目前的應(yīng)用情況,然后詳細(xì)介紹了4種傳感型光纖氣體傳感器的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)。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(jié)構(gòu),輔以特殊納米材料的修飾,可實(shí)現(xiàn)超高精度的折射率測(cè)量,為光纖氣體檢測(cè)技術(shù)提供了低檢測(cè)限、高靈敏度和特異性的新方法。最后,總結(jié)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(xué)報(bào). 2020,41(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：16 頁

【部分圖文】：

MoS2/檸檬酸復(fù)合膜包覆LPFG傳感器

等離子體共振傳感技術(shù)由于超高精度的折射率(10-6～10-8RIU)測(cè)量被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)和氣體傳感等領(lǐng)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(shí)部符號(hào)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(chǎng)作用下,這種振蕩會(huì)受隨機(jī)波動(dòng)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(jié)果是導(dǎo)致符合某一特定條件的光被大量吸收,使反射光強(qiáng)急劇下降[44]。表面等離子體共振現(xiàn)象對(duì)外界折射率變化極為敏感,通過監(jiān)測(cè)有效折射率的改變對(duì)共振波谷的影響,能準(zhǔn)確量化測(cè)量分子在金屬表面的作用過程(吸附、解離、結(jié)合等)。表面等離子體共振的激發(fā)最早是通過Kretschmann棱鏡實(shí)現(xiàn)的[45],如圖16(a)所示,包括一個(gè)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(zhì)中部分光會(huì)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(dǎo)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(cè)量。棱鏡結(jié)構(gòu)的SPR傳感器測(cè)量方式通常有兩種:入射角恒定但改變?nèi)肷涔獠ㄩL(zhǎng)或入射光波長(zhǎng)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(duì)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(shí),反射光譜中會(huì)觀察到急劇的下降,并且共振角的大小高度相關(guān)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)的成果轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)機(jī)械部件限制了它的應(yīng)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(jié)構(gòu)和原理,但在體積和結(jié)構(gòu)上更加小巧緊湊,將SPR傳感器的應(yīng)用范圍擴(kuò)展至狹小空間環(huán)境,實(shí)現(xiàn)對(duì)痕量目標(biāo)物的監(jiān)測(cè)[46]。如圖17所示是一個(gè)典型的光纖SPR結(jié)構(gòu),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(jìn)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(zhì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)使光纖對(duì)外界環(huán)境更加敏感,但側(cè)邊拋磨深度過大不可避免地破壞了光纖的圓對(duì)稱性,導(dǎo)致機(jī)械穩(wěn)定性的降低,容易損壞。為解決這個(gè)問題,有學(xué)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�；诨瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)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(zhuǎn)移到LPFG上。氣體濃度變化所引起的外部折射率變化會(huì)導(dǎo)致混合模式傳播常數(shù)的變化,從而引起諧振波長(zhǎng)的改變。Wei等認(rèn)為涂覆石墨烯會(huì)增加折射率的變化量,進(jìn)而增強(qiáng)光纖/金屬界面處SPR的強(qiáng)度,獲得更高的傳感器靈敏度。因此Wei等通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了未處理LPFG、Ag包覆LPFG、Ag和石墨烯包覆LPFG對(duì)CH4的傳感性能,證實(shí)了這一預(yù)測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖20所示。

【參考文獻(xiàn)】：
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