基于氧化锌涂层无芯光纤的氨气传感器研究

作     者：罗通 黄怿 邓传鲁 胡程勇 张小贝 王廷云 Luo Tong;Huang Yi;Deng Chuanlu;Hu Chengyong;Zhang Xiaobei;Wang Tingyun

作者机构：上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网重点实验室上海200444 

出 版 物：《中国激光》 (Chinese Journal of Lasers)

年 卷 期：2023年第50卷第10期

页      面：159-167页

核心收录：

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(61735009,61875116,61875118,62022053) 上海市自然科学基金(22ZR142300) 

主　　题：传感器 无芯光纤 氧化锌 氨气测量 温度 

摘      要：为实现大气污染物中氨气(NH3)的快速、准确测量,本文提出了一种基于氧化锌(ZnO)涂层单模-无芯-单模(SNS)光纤结构的高灵敏度NH3传感器。该传感器利用的是ZnO膜层吸附NH3后自身折射率改变,进而导致无芯光纤干涉谱谐振波长发生变化的特性。通过建立NH3体积分数与谐振波长偏移量的关系,最终实现了NH3体积分数的测量。本文基于模式传输理论对ZnO涂层SNS传感器的光谱特性进行了仿真,仿真结果显示:当ZnO膜层的折射率从1.929变化至1.889时,60 nm和130 nm ZnO膜厚下SNS传感器的灵敏度分别为11.8 nm/RIU和28.6 nm/RIU。制备了ZnO膜厚分别为60 nm和130 nm的SNS传感器,其在NH3体积分数为0~42.0×10^(-6)环境下的灵敏度相差不大,这主要是由ZnO对NH3的吸附饱和引起的。进一步分析获得60 nm ZnO膜厚下SNS传感器的平均灵敏度为16.87×10^(6)pm,检测限为6.6×10^(-6),响应时间和恢复时间分别为70 s和90 s。随着温度由16.5℃升至56℃,该传感器对NH3的检测灵敏度从17.96×10^(6)pm降低至7.57×10^(6)pm,温度和时间对检测限的影响分别为0.0237×10^(-6)℃-1和0.026×10^(-6)d^(-1),该传感器具有较好的稳定性。