纳米材料修饰的光纤气体传感器研究进展
发布时间：2021-07-27 09:45
光纤气体传感器具有本征安全、不易受环境影响和远程遥测等优点,在矿井油田、工业生产中有很大的应用前景。功能纳米材料的修饰使得光纤传感在气体检测领域有了更多的研究思路。首先基于工作原理对光纤气体传感器进行分类,简单介绍了光纤气体传感器的优点及目前的应用情况,然后详细介绍了4种传感型光纤气体传感器的基本原理与关键技术。传感型光纤气体传感器通过抛磨、腐蚀、拉锥等微加工手段改变光纤的结构,辅以特殊纳米材料的修饰,可实现超高精度的折射率测量,为光纤气体检测技术提供了低检测限、高灵敏度和特异性的新方法。最后,总结了目前纳米材料修饰的光纤气体传感器存在的问题以及未来的发展方向。
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
MoS2/柠檬酸复合膜包覆LPFG传感器
等离子体共振传感技术由于超高精度的折射率(10-6～10-8RIU)测量被广泛应用于生物医学检测、水质监测和气体传感等领域。其中表面等离子体 (surface plasmons, SPs)是两种材料之间的界面上电荷密度振荡的量子,这两种材料的介电函数的实部符号不同,例如金属-介电界面。表面等离子体的产生是由于入射于金属表面的电磁辐射与金属内部自由电子的等离子体振荡的耦合。在电磁场作用下,这种振荡会受随机波动的影响,形成一种被限制在垂直于金属表面的表面波,即表面等离子体波(surface plasmon wave, SPW)。表面等离子体共振是指P偏振光[43](TM偏振光)与金属的表面等离子体波之间相互耦合产生的共振,其结果是导致符合某一特定条件的光被大量吸收,使反射光强急剧下降[44]。表面等离子体共振现象对外界折射率变化极为敏感,通过监测有效折射率的改变对共振波谷的影响,能准确量化测量分子在金属表面的作用过程(吸附、解离、结合等)。表面等离子体共振的激发最早是通过Kretschmann棱镜实现的[45],如图16(a)所示,包括一个底部镀有40～50 nm金属薄层的高折射率玻璃棱镜,金属层的另一表面靠近分析物层。P偏振光入射到棱镜后,玻璃介质中部分光会以倏逝波的形式耦合到底部金属薄层中,在满足相位匹配的条件下耦合表面等离子波,导致特定角度的光反射减少,如图16(b)中的θ1(图16(b)中的θ0表示临界入射角);余光将被完全反射,用作测量。棱镜结构的SPR传感器测量方式通常有两种:入射角恒定但改变入射光波长或入射光波长不变但改变入射角,两种方法都要求入射光偏振态与入射平面平行,使SPW相对于玻璃-金属界面正交极化,以保证倏逝波与SPW的波矢相匹配。共振时,反射光谱中会观察到急剧的下降,并且共振角的大小高度相关于分析物层介电函数(有效折射率),表现为共振波谷的漂移,如图16(b)中θ1～θ2的过程。Kretschmann棱镜结构的SPR为传感器表面的功能化提供了很高的比表面积,已经实现了相关技术的成果转化和商品化生产,但由于棱镜体积庞大以及传感器布置中的各种运动机械部件限制了它的应用范围。相比之下,基于光纤的SPR传感器保持了相同的基本结构和原理,但在体积和结构上更加小巧紧凑,将SPR传感器的应用范围扩展至狭小空间环境,实现对痕量目标物的监测[46]。如图17所示是一个典型的光纤SPR结构,为了在光纤与金属界面激发SPR,可采用将光纤弯曲成U型[47],或进行抛磨[48]、腐蚀、拉锥[49]和刻写光栅[50]等方法,将部分纤芯内传输的光部分耦合到光纤外部与周围介质相互作用。常用于制作光纤SPR气体传感器的材料除了熟知的贵金属如Au和Ag外,还有各种半导体金属氧化物如氧化锌[51]、氧化锡铟[52]、氧化钛[53]等和低维材料如石墨烯[54]、碳纳米管[55]、黑磷[56]等。
图18 基于ZnO的D型光纤仿真抛磨制成的D型结构使光纤对外界环境更加敏感,但侧边抛磨深度过大不可避免地破坏了光纤的圆对称性,导致机械稳定性的降低,容易损坏。为解决这个问题,有学者使用光纤光栅将一部分光耦合出纤芯用来激发SPR。Wei等[66]将LPFG的栅区部分腐蚀至100 μm,并在栅区蒸镀约50 nm厚的Ag薄膜,然后固定在SiO2基底上。基于化学气相沉积技术在Cu薄片上制备大面积石墨烯,再用FeCl3和HCl混合溶液溶解Cu薄片,PMMA将石墨烯转移到LPFG上。气体浓度变化所引起的外部折射率变化会导致混合模式传播常数的变化,从而引起谐振波长的改变。Wei等认为涂覆石墨烯会增加折射率的变化量,进而增强光纤/金属界面处SPR的强度,获得更高的传感器灵敏度。因此Wei等通过实验对比了未处理LPFG、Ag包覆LPFG、Ag和石墨烯包覆LPFG对CH4的传感性能,证实了这一预测,实验结果如图20所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]直线型光纤Sagnac干涉仪声传感器及其去噪方法研究[J]. 何乐,丰鑫,吴华明,黄丽贞,肖永生. 仪器仪表学报. 2019(09)
[2]基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤折射率传感器的研究进展[J]. 范振凯,张子超,王保柱,王莹莹,赵荣佳. 激光与光电子学进展. 2019(07)
[3]长周期光栅生物传感器研究进展[J]. 李秋顺,蔡雷,马耀宏,杨俊慧,杨艳,孟庆军,史建国. 中国光学. 2018(03)
[4]等离子体共振光纤光栅生物传感器综述[J]. 郭团. 光学学报. 2018(03)
[5]锥形光纤SERS探针的工艺优化和拉曼光谱增强实验[J]. 窦心怡,张洁,陈思孟,张晓蕾. 光学学报. 2018(05)
[6]基于可调谐激光吸收光谱技术的硫化氢检测方法研究[J]. 张杨,范颖,王哲,陈文亮. 电子测量与仪器学报. 2017(12)
[7]空芯光子晶体光纤与单模光纤耦合优化及在拉曼气体检测中的应用（英文）[J]. 张秀梅,蒋书波,王旭. 红外与毫米波学报. 2017(06)
[8]飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG传感特性研究[J]. 张雯,孟凡勇,宋言明,娄小平,祝连庆. 仪器仪表学报. 2017(09)
[9]基于铜离子沉积石墨烯涂层锥形光子晶体光纤的硫化氢传感器[J]. 冯序,杨晓占,黄国家,邓大申,秦祥,冯文林. 光子学报. 2017(09)
[10]光纤布拉格光栅水下钢筋腐蚀传感器[J]. 宋世德,张作才,王晓娜. 电子测量与仪器学报. 2017(07)
本文编号：3305544
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
MoS2/柠檬酸复合膜包覆LPFG传感器
等离子体共振传感技术由于超高精度的折射率(10-6～10-8RIU)测量被广泛应用于生物医学检测、水质监测和气体传感等领域。其中表面等离子体 (surface plasmons, SPs)是两种材料之间的界面上电荷密度振荡的量子,这两种材料的介电函数的实部符号不同,例如金属-介电界面。表面等离子体的产生是由于入射于金属表面的电磁辐射与金属内部自由电子的等离子体振荡的耦合。在电磁场作用下,这种振荡会受随机波动的影响,形成一种被限制在垂直于金属表面的表面波,即表面等离子体波(surface plasmon wave, SPW)。表面等离子体共振是指P偏振光[43](TM偏振光)与金属的表面等离子体波之间相互耦合产生的共振,其结果是导致符合某一特定条件的光被大量吸收,使反射光强急剧下降[44]。表面等离子体共振现象对外界折射率变化极为敏感,通过监测有效折射率的改变对共振波谷的影响,能准确量化测量分子在金属表面的作用过程(吸附、解离、结合等)。表面等离子体共振的激发最早是通过Kretschmann棱镜实现的[45],如图16(a)所示,包括一个底部镀有40～50 nm金属薄层的高折射率玻璃棱镜,金属层的另一表面靠近分析物层。P偏振光入射到棱镜后,玻璃介质中部分光会以倏逝波的形式耦合到底部金属薄层中,在满足相位匹配的条件下耦合表面等离子波,导致特定角度的光反射减少,如图16(b)中的θ1(图16(b)中的θ0表示临界入射角);余光将被完全反射,用作测量。棱镜结构的SPR传感器测量方式通常有两种:入射角恒定但改变入射光波长或入射光波长不变但改变入射角,两种方法都要求入射光偏振态与入射平面平行,使SPW相对于玻璃-金属界面正交极化,以保证倏逝波与SPW的波矢相匹配。共振时,反射光谱中会观察到急剧的下降,并且共振角的大小高度相关于分析物层介电函数(有效折射率),表现为共振波谷的漂移,如图16(b)中θ1～θ2的过程。Kretschmann棱镜结构的SPR为传感器表面的功能化提供了很高的比表面积,已经实现了相关技术的成果转化和商品化生产,但由于棱镜体积庞大以及传感器布置中的各种运动机械部件限制了它的应用范围。相比之下,基于光纤的SPR传感器保持了相同的基本结构和原理,但在体积和结构上更加小巧紧凑,将SPR传感器的应用范围扩展至狭小空间环境,实现对痕量目标物的监测[46]。如图17所示是一个典型的光纤SPR结构,为了在光纤与金属界面激发SPR,可采用将光纤弯曲成U型[47],或进行抛磨[48]、腐蚀、拉锥[49]和刻写光栅[50]等方法,将部分纤芯内传输的光部分耦合到光纤外部与周围介质相互作用。常用于制作光纤SPR气体传感器的材料除了熟知的贵金属如Au和Ag外,还有各种半导体金属氧化物如氧化锌[51]、氧化锡铟[52]、氧化钛[53]等和低维材料如石墨烯[54]、碳纳米管[55]、黑磷[56]等。
图18 基于ZnO的D型光纤仿真抛磨制成的D型结构使光纤对外界环境更加敏感,但侧边抛磨深度过大不可避免地破坏了光纤的圆对称性,导致机械稳定性的降低,容易损坏。为解决这个问题,有学者使用光纤光栅将一部分光耦合出纤芯用来激发SPR。Wei等[66]将LPFG的栅区部分腐蚀至100 μm,并在栅区蒸镀约50 nm厚的Ag薄膜,然后固定在SiO2基底上。基于化学气相沉积技术在Cu薄片上制备大面积石墨烯,再用FeCl3和HCl混合溶液溶解Cu薄片,PMMA将石墨烯转移到LPFG上。气体浓度变化所引起的外部折射率变化会导致混合模式传播常数的变化,从而引起谐振波长的改变。Wei等认为涂覆石墨烯会增加折射率的变化量,进而增强光纤/金属界面处SPR的强度,获得更高的传感器灵敏度。因此Wei等通过实验对比了未处理LPFG、Ag包覆LPFG、Ag和石墨烯包覆LPFG对CH4的传感性能,证实了这一预测,实验结果如图20所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]直线型光纤Sagnac干涉仪声传感器及其去噪方法研究[J]. 何乐,丰鑫,吴华明,黄丽贞,肖永生. 仪器仪表学报. 2019(09)
[2]基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤折射率传感器的研究进展[J]. 范振凯,张子超,王保柱,王莹莹,赵荣佳. 激光与光电子学进展. 2019(07)
[3]长周期光栅生物传感器研究进展[J]. 李秋顺,蔡雷,马耀宏,杨俊慧,杨艳,孟庆军,史建国. 中国光学. 2018(03)
[4]等离子体共振光纤光栅生物传感器综述[J]. 郭团. 光学学报. 2018(03)
[5]锥形光纤SERS探针的工艺优化和拉曼光谱增强实验[J]. 窦心怡,张洁,陈思孟,张晓蕾. 光学学报. 2018(05)
[6]基于可调谐激光吸收光谱技术的硫化氢检测方法研究[J]. 张杨,范颖,王哲,陈文亮. 电子测量与仪器学报. 2017(12)
[7]空芯光子晶体光纤与单模光纤耦合优化及在拉曼气体检测中的应用（英文）[J]. 张秀梅,蒋书波,王旭. 红外与毫米波学报. 2017(06)
[8]飞秒刻写光纤F-P腔级联FBG传感特性研究[J]. 张雯,孟凡勇,宋言明,娄小平,祝连庆. 仪器仪表学报. 2017(09)
[9]基于铜离子沉积石墨烯涂层锥形光子晶体光纤的硫化氢传感器[J]. 冯序,杨晓占,黄国家,邓大申,秦祥,冯文林. 光子学报. 2017(09)
[10]光纤布拉格光栅水下钢筋腐蚀传感器[J]. 宋世德,张作才,王晓娜. 电子测量与仪器学报. 2017(07)
本文编号：3305544
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