一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣敏元件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫能源是可再生清潔能源，是保障能源可持續(xù)性的有效途徑。2010年5月在德國(guó)埃森召開(kāi)第十八屆世界氫能大會(huì)，中國(guó)科技部部長(zhǎng)萬(wàn)鋼指出:中國(guó)要制定國(guó)家氫能規(guī)劃，加大對(duì)氫能的投入，擴(kuò)大氫能的示范和應(yīng)用，加強(qiáng)氫能的國(guó)際合作。2010年7月12日，世界首座氫能源發(fā)電站在意大利建成投產(chǎn)，標(biāo)志著氫能的利用已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)化階段。由于氫氣的優(yōu)良特性，在其他領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，例如地震監(jiān)測(cè)、高純度硅晶片的生產(chǎn)、含氫化工產(chǎn)品生廣、石油提煉、金屬焊接等。
[0003]但是，氫氣是一種高危氣體，常溫常壓下，若空氣中氫氣的含量位于4%_74.5%之間，極有可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，威脅人身財(cái)產(chǎn)安全。此外，核電站周?chē)h(huán)境中氧氣、氫氣、濕度等都影響著核材料的健康狀態(tài)，其中氫氣對(duì)其影響尤為顯著。氫氣是封裝核材料的金屬外殼、核材料附近的金屬部件和核材料本身被水汽腐蝕的產(chǎn)物，而且生成的氫氣還會(huì)進(jìn)一步腐蝕核材料和許多金屬部件。準(zhǔn)確有效地對(duì)核電站周?chē)h(huán)境中氫氣濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)核電站的健康運(yùn)行有著重大意義。
[0004]近期研究表明，地震前期，裂縫涌出氣體中氫氣濃度會(huì)有所增加，準(zhǔn)確地測(cè)量氫氣濃度信息，對(duì)研究地震過(guò)程、預(yù)報(bào)地震等具有重大意義。
[0005]總之，為了保障氫氣產(chǎn)生、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中的安全性，擴(kuò)大氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域，研究一種抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性高、可靠性好、體積小、成本低的氫氣傳感器具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器，以提高目前光學(xué)氫氣傳感器的檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)室溫下對(duì)氫氣的高靈敏檢測(cè)。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器的測(cè)量方法，將探頭置于待測(cè)環(huán)境中，平行光源以固定角度入射在傳感器表面，固定角度為光子晶體共振角度，使得TM模透射系數(shù)為0%，鈀基合金吸附氫氣后體積會(huì)發(fā)生膨脹，從而拉伸光子晶體，改變其周期，使得其共振角度向大角度方向移動(dòng)，逐漸偏離入射角度，在入射角度處TM模的透射系數(shù)逐漸增大，因此，通過(guò)對(duì)透射光強(qiáng)的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)環(huán)境中氫氣濃度的檢測(cè)。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述固定角度由光子晶體周期、二氧化鈦的厚度與二氧化鈦的脊型高度決定。
[0009]—種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器，包括激光光源、光子晶體探頭和探測(cè)器，所述激光光源經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直成平行光后入射到光子晶體探頭，光子晶體探頭背面設(shè)置探測(cè)器，所述激光光源與探測(cè)器為連動(dòng)式，
所述光子晶體探頭包括在石英表面生長(zhǎng)的二氧化鈦脊型光子晶體，所述二氧化鈦脊型光子晶體側(cè)面生長(zhǎng)有一層鈀基合金。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述準(zhǔn)直后的激光以固定入射角度入射到光子晶體探頭上。
[0011]在上述技術(shù)方案中，所述固定入射角度為光子晶體共振角度。
[0012]在上述技術(shù)方案中，在準(zhǔn)直后的激光在光子晶體共振角度下的TM模透射系數(shù)為0%。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述光子晶體探頭中光子晶體的周期、二氧化鈦層的厚度與二氧化鈦層脊型的高度在可見(jiàn)光波段可調(diào)。
[0014]在上述技術(shù)方案中，所述光子晶體的周期為400納米，二氧化鈦層的厚度為150納米至180納米，二氧化鈦層的脊型高度為15納米至50納米。
[0015]在上述技術(shù)方案中，所述鈀基合金或?yàn)殁Z金合金，或?yàn)殁Z釔合金。
[0016]在上述技術(shù)方案中，所述鈀基合金的厚度為10納米至100納米。
[0017]本發(fā)明的工作原理為:
以固定波長(zhǎng)的平行光為入射光，以光子晶體共振角度入射在光子晶體探頭上，此時(shí)探頭的透射系數(shù)為0%;
若探頭周?chē)鷼夥罩芯哂幸欢舛鹊臍錃?，探頭上的鈀合金薄膜與氫氣發(fā)生特異性作用，致使其體積發(fā)生一定程度的膨脹，從而拉伸光子晶體，使其周期延長(zhǎng)；
光子晶體的周期延長(zhǎng)，其共振角度會(huì)向大角度方向移動(dòng)，使得入射角度逐漸偏離共振角度，透射系數(shù)逐漸增大；
通過(guò)對(duì)透射強(qiáng)度的測(cè)量，表征光子晶體周期的變化，進(jìn)而得到探頭周?chē)臍錃鉂舛刃畔?
針對(duì)不同的需求，可以調(diào)控二氧化鈦的厚度、脊型高度、入射波長(zhǎng)以及入射角度等，以適應(yīng)不同的檢測(cè)靈敏度與檢測(cè)范圍。為方便討論，將入射波長(zhǎng)設(shè)定為633納米，與氦氖激光器波長(zhǎng)匹配。實(shí)施例1-3中給出了二氧化鈦的厚度、脊型高度、入射波長(zhǎng)、共振角度之間的關(guān)系。實(shí)施例4-6中，將初始共振角度固定為5度，并給出了光子晶體經(jīng)過(guò)不同程度拉伸時(shí)，共振角度變化規(guī)律。
[0018]本發(fā)明亦適用于其他的入射波長(zhǎng)與入射角度，只需將光子晶體的周期、二氧化鈦的厚度與脊型高度調(diào)控至相應(yīng)位置即可。也可將入射角度設(shè)定在共振角度的大角度一邊，隨著周期的拉伸，共振角度逐漸接近入射角度，使得透射系數(shù)逐漸減小。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
采用光子晶體共振耦合方式，可以得到很高的檢測(cè)靈敏度，與傳統(tǒng)的鈀膜反射式氫氣傳感器相比，靈敏度至少提升2-3個(gè)數(shù)量級(jí)；
可以采用光纖傳輸光學(xué)信號(hào)，探頭體積能夠做到很小，可滿足不同場(chǎng)所的氫氣檢測(cè)需求。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為角度依賴的光子晶體氫氣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為C0MS0L軟件建立的光子晶體氫氣傳感器模型； 圖3為脊型高度分別為15納米、30納米、50納米，周期為400納米，入射波長(zhǎng)為633納米，二氧化鈦厚度為150納米時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
圖4為二氧化鈦厚度分別為150納米、165納米、180納米，周期為400納米，入射波長(zhǎng)為633納米，脊型高度為50納米時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
圖5為入射波長(zhǎng)分別為620納米、627納米、633納米時(shí)，周期為400納米，二氧化鈦厚度為150納米，脊型高度為50納米時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
圖6為脊型高度為15納米，初始共振角度為5度，改變周期時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
圖7為脊型高度為30納米，初始共振角度為5度，改變周期時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
圖8為脊型高度為50納米，初始共振角度為5度，改變周期時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
其中:1是石英基板，2是鈀基合金，3是二氧化鈦，4是激光光源，5是探測(cè)器，6是空氣，7是石英，8是二氧化鈦層的脊型高度，9是二氧化鈦層的厚度。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1所示，本發(fā)明所述的傳感器主要由激光光源、光子晶體探頭、探測(cè)器三個(gè)部分組成；激光光源需經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直成平行光后入射到光子晶體探頭上，光子晶體探頭包括在石英表面生長(zhǎng)的二氧化鈦脊型光子晶體，所述二氧化鈦脊型光子晶體側(cè)面生長(zhǎng)有一層鈀基合金，厚度為10納米-100納米可調(diào)，鈀基合金為鈀金合金或鈀釔合金，合金比例可調(diào)。平行光源以一定角度入射在傳感器表面，通常為光子晶體共振角度(由光子晶體周期、二氧化鈦厚度與脊型高度決定)，使得TM模透射系數(shù)為0%;光子晶體的周期、二氧化鈦層厚度與脊型高度在可見(jiàn)光波段可調(diào);將探頭置于待測(cè)環(huán)境中，鈀基合金吸附氫氣后體積會(huì)發(fā)生膨脹，從而拉伸光子晶體，改變其周期，使得其共振角度向大角度方向移動(dòng)，逐漸偏離入射角度，在入射角度處TM模的透射系數(shù)逐漸增大，因此，通過(guò)對(duì)透射光強(qiáng)的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)環(huán)境中氫氣濃度的檢測(cè)。
[0022]實(shí)施例1
如圖2建立模型，空氣層厚度設(shè)置為1.2微米，石英層厚度設(shè)置為1.2微米，二氧化鈦層厚度設(shè)置為150納米，周期設(shè)置為400納米；
空氣的折射率設(shè)置為1，石英的折射率設(shè)置為1.46，二氧化鈦