基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构及系统

1.本发明属于微纳传感技术领域，特别涉及一种基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构及系统。


背景技术：

2.甲烷是矿井瓦斯气体和天然气的重要组成成分，在煤矿开采中，因为瓦斯气体泄漏引起的事故数不胜数，时时刻刻的威胁着矿井工人的生命安全；同时天然气的开采，输送以及日常使用中也都存在着泄漏的安全风险，所以对于甲烷及其浓度的检测是非常有必要的。
3.现在已经有基于热催化、红外吸收、电化学法等不同原理的甲烷传感器，但是也都相应的存在着一些弊端，例如在易燃易爆环境中，电气传感器通常不适用；一些检测系统复杂，仪器昂贵笨重，化学催化剂易中毒、老化等问题。因此，研究一种安全可靠、传感器体积小、灵敏度高、传输损耗小的传感器是非常有意义的。
4.表面等离激元共振(surface plasmon resonance,spr)是当光波电场入射到金属与介质的交界面时，如果电子在光波电场激励下的振荡频率与入射光波的频率相同时产生的共振效应，即光波电场的能量被转换为金属表面自由电子的集体振动能，在光谱上表现出凹陷或凸起的谐振峰。当环境介质的折射率发生变化时，由spr产生的谐振峰会相应的发生移动，根据谐振峰的移动来实现对目标物的检测。依据此原理，可以实现对甲烷气体浓度的检测。
5.基于光纤的气体传感器结构设计灵活、传感性能好，近年来受到广泛关注。2017年，杨建春团队提出了一种高灵敏度光子晶体光纤长周期光栅(pcf-lpg)甲烷传感器，其甲烷的测量灵敏度为1.078nm/％；2018年，刘海等人设计了一种用于检测混合甲烷和氢气的超大侧孔pcf-spr传感器，其甲烷的测量灵敏度为1.99nm/％；2021年，高朋团队设计了一种基于双凸锥光子晶体光纤的反射式甲烷浓度传感器，其甲烷的测量灵敏度为1.217nm/％。以上提到的几种结构需要采用特种光纤，需通过特殊的光纤拉锥方式，不能广泛适用于各种传统商业应用光纤。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构及系统。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
8.本发明的一方面提供了一种基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构，其特征在于，在光纤端面溅射有一层金薄膜层，所述金薄膜层上刻蚀有圆形孔阵列结构，在所述金薄膜层上还旋涂有甲烷气敏膜。
9.进一步说，所述圆形孔阵列结构中的任一一个单元由五个圆孔组成，其中一个为中心圆孔，另外四个围绕该中心圆孔呈对称分布。
10.进一步说，所述的对称分布为十字对称分布。
11.进一步说，所述的甲烷气敏膜由笼形超分子材料cryptophane e和聚硅氧烷共同制备而成。
12.本发明的另一方面提供了基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感系统，包括上述甲烷传感结构，以及超连续激光光源、光纤准直器、光纤耦合器和光谱分析仪；
13.超连续激光光源发出的光经过光纤准直器后传输到光纤端面，在介质和金属膜交界面上产生表面等离激元共振；当环境中甲烷气体浓度变化时，甲烷气敏膜的折射率随着甲烷气体浓度的改变而改变，所产生的表面等离激元共振谐振峰因折射率的变化发生移动，通过光纤耦合器用光谱分析仪采集反射回来的光信号，进行光谱分析及计算，实现对环境中甲烷气体浓度的准确测量。
14.本发明的有益效果是：
15.1.本发明提出的甲烷气体传感元件微纳结构位于光纤端面上，探测信号在光纤中传输，可以应用在煤矿开采，天然气运输等行业的反射式和远程传感应用中，不会因为外界环境对传输光纤形貌的干扰而影响检测信号。
16.2.本发明提出的光纤端面甲烷气体传感结构，拓展了气体传感测量的方法，相较于特种光纤的甲烷气体传感方法，对光纤制备要求低，对光纤选取的通用性强。
17.3.本发明通过使用微纳结构结合气敏材料的光学作用，实现对甲烷气体的传感检测，在易燃易爆环境中安全可靠。
18.4.本发明提出的甲烷传感器结构制备简单，横向(光纤端面方向)尺度小，纵向(光纤长度方向)传输灵活，便于与其他光纤气体传感器结合形成光纤束，共同使用，以达到同时探测多种气体及浓度的目的。
附图说明
19.图1为甲烷气敏材料折射率随甲烷气体浓度变化的关系图；
20.图2为气体传感系统示意图；
21.图3为光纤端面结构示意图；
22.图4为不同甲烷气体浓度下的谐振峰变化曲线图；
23.图5为传感灵敏度。
具体实施方式
24.以下参照附图详细说明本发明的优选实施方式。并且，在图的说明中，对于相同或相当的部分，使用相同的符号，省略重复说明。此外，各图的尺寸比例未必与实际的比例一致。
25.如图2所示，本发明提供的一种基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感系统，该系统包括超连续激光光源1、光谱分析仪2、光纤准直器3、光纤耦合器4、结合了微纳结构的光纤端面传感探头5、气室6、进气口7和出气口8。当超连续激光光源发出的光经过光纤传输到光纤端面的微纳结构上，在介质和金属膜交界面上产生spr。当环境中甲烷气体浓度变化时，由于甲烷气敏层的折射率会随着甲烷气体浓度的改变而改变，所产生的spr谐振峰会因为折射率的变化发生移动，用光谱分析仪采集分析反射回来的光信号，进行光谱分析及
计算，可以实现对环境中甲烷气体及其浓度的准确测量。
26.如图3所示，本发明的微纳结构是在光纤9端面溅射金薄膜层10，其厚度为50nm，在金薄膜层上刻蚀出所设计的周期排布的圆形孔12阵列结构，如图3中(a)为集成了微纳结构和气敏材料的光纤端面示意图，图3中(b)为一个周期结构图，其由5个圆孔组成结构中心一个圆孔，四周对称分布4个圆孔，类似十字形，所有圆孔半径均为160nm，结构的分布周期为1100nm。刻蚀完毕后在金薄膜层上旋涂甲烷气敏膜11，甲烷气敏膜由笼形超分子材料cryptophane e和聚硅氧烷共同制备而成，其厚度为900nm，该材料折射率会随着外界甲烷气体浓度的变化而发生变化，当甲烷浓度增加时，该材料折射率减小；当甲烷气体浓度减小时，气体分子从材料中脱离出来，所以气敏膜折射率增加。甲烷气敏膜折射率与甲烷气体浓度关系式为：n＝1.448-0.0046c
ch4
，其中n为气敏膜的折射率，c
ch4
为甲烷气体的浓度，其气敏膜折射率与甲烷浓度变化关系如图1所示。
27.进一步地，用时域有限差分方法，针对如图3所示的结构进行分析计算，得到了甲烷气敏层在不同折射率时(折射率在1.425到1.448范围内)，所设计结构的反射光光谱图，如图4所示；该结构存在3个谐振模式如图4中(a)所示，分别为mode 1、mode 2和mode 3；图4中(b)、(c)、(d)分别为mode 1、mode 2和mode 3的反射光谱图，随着甲烷气体浓度的变化，三个谐振峰都会随之移动，因此存在着三个甲烷气体探测灵敏度。
28.表面等离激元谐振峰的位置与甲烷气体浓度的变化关系如图5所示，经拟合计算甲烷气体检测灵敏度为：mode 1(如图5中(a)所示)，s1＝-4.4nm/％；mode 2(如图5中(b)所示)，s2＝-0.87nm/％；mode 3(如图5中(c)所示)，s3＝-3.24nm/％。
29.本发明提出在普通光纤的端面，结合微纳结构实现表面等离激元共振，并在微纳结构的表面结合甲烷气敏膜，以实现对甲烷的传感测量。这种传感器的体积小，灵敏度高，普适性强。
30.虽然已参考某些方面和实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应了解，可以进行形式和细节的改变，而不脱离本发明的精神和范围。