【摘 要】
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倾斜光纤光栅（TFBG）的光栅平面与光纤纤芯轴向存在一定角度,从而能产生大量的包层模。这些包层模对外界环境折射率、温度等均较为敏感,因此具备极好的传感特性。氢能源具有高效和清洁等特点,具备潜在的巨大应用,但其也容易泄漏和爆炸。针对当前传统氢气电传感器的安全性不高以及光学氢传感器灵敏度和响应速度不佳等问题,本文研究了复合氢敏薄膜与TFBG传感结构相结合,实现了两种高灵敏快速响应的氢气传感器,主要内容
【基金项目】
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国家自然科学基金（11874332）； 国家自然科学基金重大仪器专项（61727816）； 浙江省自然科学基金（LY21F050006）； 浙江省重点研发计划（2021C01179）；
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倾斜光纤光栅（TFBG）的光栅平面与光纤纤芯轴向存在一定角度,从而能产生大量的包层模。这些包层模对外界环境折射率、温度等均较为敏感,因此具备极好的传感特性。氢能源具有高效和清洁等特点,具备潜在的巨大应用,但其也容易泄漏和爆炸。针对当前传统氢气电传感器的安全性不高以及光学氢传感器灵敏度和响应速度不佳等问题,本文研究了复合氢敏薄膜与TFBG传感结构相结合,实现了两种高灵敏快速响应的氢气传感器,主要内容如下:1、提出了一种基于PDMS/WO3复合薄膜的TFBG氢气传感器。在倾斜角为8°的TFBG表面分别涂覆柔性材料PDMS和50nm的WO3。WO3与氢气发生放热反应使光纤的有效折射率增大,从纤芯模耦合出来的包层模谐振波的透射光强会相应减小,从而实现氢气检测。实验证明:氢气浓度从0%变化到1.53%时,透射光强减小2.807d B,传感器灵敏度为1.17d B/%,是当前类似传感器的12倍。传感器的平均响应和恢复时间分别为93s和107s。进一步研究温度对传感器的影响,温度从20℃加热至120℃,灵敏度为8.5pm/℃。但是由于纤芯模也会随温度发生漂移,从而根据包层模与纤芯模的对比,使传感器具备温度补偿的特性。2、提出了一种基于钯/金（Pd/Au）复合纳米薄膜的TFBG氢气传感器。TFBG表面利用磁控溅射法溅射25nm厚的金膜和35nm厚的钯膜。Pd为面心立方结构,能够吸附氢原子,相应地Pd/Au复合薄膜的有效折射率随氢浓度的增加而减小,外部折射率的改变会使得TFBG透射光谱的包层模谐振峰损耗深度改变。实验结果表明:当氢气浓度变化1.02%透射光谱损耗深度减少1.128d B,传感器灵敏度为1.597d B/%,平均响应和恢复时间分别为37s和49s,灵敏度是同类型钯基氢气传感器灵敏度的135倍。本文设计的两种基于复合薄膜的氢气传感器具有灵敏度高、结构简易、响应速率高、重复性好以及温度自补偿等优点,可用于低氢浓度测量,对于当前氢能源的使用和存储具有重要意义。
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