一种角度依赖的光子晶体氢气传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于气敏元件技术领域，具体涉及一种角度依赖的光子晶体氢气传感器。
【背景技术】
[0002]氢能源是可再生清洁能源，是保障能源可持续性的有效途径。2010年5月在德国埃森召开第十八届世界氢能大会，中国科技部部长万钢指出:中国要制定国家氢能规划，加大对氢能的投入，扩大氢能的示范和应用，加强氢能的国际合作。2010年7月12日，世界首座氢能源发电站在意大利建成投产，标志着氢能的利用已经进入实质化阶段。由于氢气的优良特性，在其他领域也有广泛的应用，例如地震监测、高纯度硅晶片的生产、含氢化工产品生广、石油提炼、金属焊接等。
[0003]但是，氢气是一种高危气体，常温常压下，若空气中氢气的含量位于4%_74.5%之间，极有可能引发火灾、爆炸等事故，威胁人身财产安全。此外，核电站周围环境中氧气、氢气、湿度等都影响着核材料的健康状态，其中氢气对其影响尤为显著。氢气是封装核材料的金属外壳、核材料附近的金属部件和核材料本身被水汽腐蚀的产物，而且生成的氢气还会进一步腐蚀核材料和许多金属部件。准确有效地对核电站周围环境中氢气浓度实时监测，对核电站的健康运行有着重大意义。
[0004]近期研究表明，地震前期，裂缝涌出气体中氢气浓度会有所增加，准确地测量氢气浓度信息，对研究地震过程、预报地震等具有重大意义。
[0005]总之，为了保障氢气产生、储存、运输和使用过程中的安全性，扩大氢气的应用领域，研究一种抗干扰能力强、灵敏度高、反应时间短、稳定性高、可靠性好、体积小、成本低的氢气传感器具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题在于提供一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，以提高目前光学氢气传感器的检测灵敏度，实现室温下对氢气的高灵敏检测。
[0007]实现本发明的技术方案是:
[0008]—种角度依赖的光子晶体氢气传感器，包括激光光源、光子晶体探头和探测器，所述激光光源经过准直器准直成平行光后入射到光子晶体探头，光子晶体探头背面设置探测器，所述激光光源与探测器为连动式，
[0009]所述光子晶体探头包括在石英表面生长的二氧化钛脊型光子晶体，所述二氧化钛脊型光子晶体侧面生长有一层钯基合金。
[0010]在上述技术方案中，所述准直后的激光以固定入射角度入射到光子晶体探头上。
[0011]在上述技术方案中，所述固定入射角度为光子晶体共振角度。
[0012]在上述技术方案中，在准直后的激光在光子晶体共振角度下的TM模透射系数为0%。
[0013]在上述技术方案中，所述光子晶体探头中光子晶体的周期、二氧化钛层的厚度与二氧化钛层脊型的高度在可见光波段可调。
[0014]在上述技术方案中，所述光子晶体的周期为400纳米，二氧化钛层的厚度为150纳米至180纳米，二氧化钛层的脊型高度为15纳米至50纳米。
[0015]在上述技术方案中，所述钯基合金或为钯金合金，或为钯钇合金。
[0016]在上述技术方案中，所述钯基合金的厚度为10纳米至100纳米。
[0017]在上述技术方案中，将探头置于待测环境中，平行光源以固定角度入射在传感器表面，固定角度为光子晶体共振角度，使得TM模透射系数为0%，钯基合金吸附氢气后体积会发生膨胀，从而拉伸光子晶体，改变其周期，使得其共振角度向大角度方向移动，逐渐偏离入射角度，在入射角度处TM模的透射系数逐渐增大，因此，通过对透射光强的测量，可以实现对待测环境中氢气浓度的检测。
[0018]在上述技术方案中，所述固定角度由光子晶体周期、二氧化钛的厚度与二氧化钛的脊型高度决定。
[0019]本发明的工作原理为:
[0020]以固定波长的平行光为入射光，以光子晶体共振角度入射在光子晶体探头上，此时探头的透射系数为0%;
[0021]若探头周围气氛中具有一定浓度的氢气，探头上的钯合金薄膜与氢气发生特异性作用，致使其体积发生一定程度的膨胀，从而拉伸光子晶体，使其周期延长；
[0022]光子晶体的周期延长，其共振角度会向大角度方向移动，使得入射角度逐渐偏离共振角度，透射系数逐渐增大；
[0023]通过对透射强度的测量，表征光子晶体周期的变化，进而得到探头周围的氢气浓度信息；
[0024]针对不同的需求，可以调控二氧化钛的厚度、脊型高度、入射波长以及入射角度等，以适应不同的检测灵敏度与检测范围。为方便讨论，将入射波长设定为633纳米，与氦氖激光器波长匹配。实施例1-3中给出了二氧化钛的厚度、脊型高度、入射波长、共振角度之间的关系。实施例4-6中，将初始共振角度固定为5度，并给出了光子晶体经过不同程度拉伸时，共振角度变化规律。
[0025]本发明亦适用于其他的入射波长与入射角度，只需将光子晶体的周期、二氧化钛的厚度与脊型高度调控至相应位置即可。也可将入射角度设定在共振角度的大角度一边，随着周期的拉伸，共振角度逐渐接近入射角度，使得透射系数逐渐减小。
[0026]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0027]采用光子晶体共振耦合方式，可以得到很高的检测灵敏度，与传统的钯膜反射式氢气传感器相比，灵敏度至少提升2-3个数量级；
[0028]可以采用光纤传输光学信号，探头体积能够做到很小，可满足不同场所的氢气检测需求。
【附图说明】
[0029]图1为角度依赖的光子晶体氢气传感器结构示意图；
[0030]图2为COMSOL软件建立的光子晶体氢气传感器模型；
[0031]图3为脊型高度分别为15纳米、30纳米、50纳米，周期为400纳米，入射波长为633纳米，二氧化钛厚度为150纳米时，TM模的透射系数随入射角度的关系；
[0032]图4为二氧化钛厚度分别为150纳米、165纳米、180纳米，周期为400纳米，入射波长为633纳米，脊型高度为50纳米时，TM模的透射系数随入射角度的关系；
[0033]图5为入射波长分别为620纳米、627纳米、633纳米时，周期为400纳米，二氧化钛厚度为150纳米，脊型高度为50纳米时，TM模的透射系数随入射角度的关系；
[0034]图6为脊型高度为15纳米，初始共振角度为5度，改变周期时，TM模的透射系数随入射角度的关系；
[0035]图7为脊型高度为30纳米，初始共振角度为5度，改变周期时，TM模的透射系数随入射角度的关系；
[0036]图8为脊型高度为50纳米，初始共振角度为5度，改变周期时，TM模的透射系数随入射角度的关系；
[0037]其中:I是石英基板，2是钯基合金，3是二氧化钛，4是激光光源，5是探测器，6是空气，7是石英，8是二氧化钛层的脊型高度，9是二氧化钛层的厚度。
【具体实施方式】
[0038]如图1所示，本发明所述的传感器主要由激光光源、光子晶体探头、探测器三个部分组成；激光光源需经准直器准直成平行光后入射到光子晶体探头上，光子晶体探头包括在石英表面生长的二氧化钛脊型光子晶体，所述二氧化钛脊型光子晶体侧面生长有一层钯基合金，厚度为10纳米-100纳米可调，钯基合金为钯金合金或钯钇合金，合金比例可调。平行光源以一定角度入射在传感器表面，通常为光子晶体共振角度(由光子晶体周期、二氧化钛厚度与脊型高度决定)，使得TM模透射系数为0%;光子晶体的周期、二氧化钛层厚度与脊型高度在可见光波段可调;将探头置于待测环境中，钯基合金吸附氢气后体积会发生膨胀，从而拉伸光子晶体，改变其周期，使得其共振角度向大角度方向移动，逐渐偏离入射角度，在入射角度处TM模的透射系数逐渐增大，因此，通过对透射光强的测量，可以实现对待测环境中氢气浓度的检测。
[0039]实施例1
[0040]如图2建立模型，空气层厚度设置为1.2微米，石英层厚度设置为1.2微米，二氧化钛层厚度设置为150纳米，周期设置为400纳米；
[0041]空气的折射率设置为I，石英的折射率设置为1.46，二氧化钛的折射率为2.22，入射波长设置为633纳米，光速设置为3X 18米/秒，脊型高度分别设置为15纳米、30纳米、50纳米，计算不同脊型高度时TM模的透射系数与入射角度的关系；
[0042]如图3所示，图中给出不同脊型高度情况下TM模的透射系数与入射角度的关系，可见，其他条件不变，仅改变脊型高度时，共振角度会发生变化，随着脊型高度逐渐增高，共振角度向小角度方向变化，而且透射系数随角度变化的凹陷逐渐变宽。
[0043]实施例2
[0044]如图2建立模型，空气层厚度设置为1.2微米，石英层厚度设置为1.2微米，脊型高度设置为50纳米，周期设置为400纳米；
[0045]空气的折射率设置为I，石英的折射率设置为1.46，二氧化钛的折射率为2.22，入射波长设置为633纳米，光速设置为3X 18米/秒，二氧化钛厚度分别设置为150纳米、165纳米、180纳米，计算不同二氧化钛厚度时TM模的透射系数与入射角度的关系；
[0046]如图4所示，图中给出不同二氧化钛厚度情况下TM模的透射系数与入射角度的关系，可见，其他条件不变，仅改变二氧化钛厚度时，共振角度会发生变化，随着厚度逐渐增大，共振角度向大角度方向变化，而且透射系数随角度变化的凹陷逐渐变宽。
[0047]实施例3
[0048]如图2建立模型，空气层厚度设置为1.2微米，石英层厚度设置为1.2微米，二氧化钛层厚度设置为150纳米，脊型高度设置为50纳米，周期设置为400纳米；
[0049]空气的折射率设置为I，石英的折射率设置为1.46，二氧化钛的折射率为2.22，光速设置为3X 18米/秒，入射波长分别设置为620纳米、627纳米、633纳米，计算不同入射波长时TM模的透射系数与入射角度的关系；
[0050]如图5所示，图中给出不同入射波长情况下TM模的透射系数与入射角度的关系，可见，其他条件不变，仅改变入射波长时，共振角度会发生变化，随着入射波长逐渐增大，共振角度向大角度方向变化，透射系数随角度变化的凹陷宽度无明显变化。
[0051 ] 实施例4
[0052]如图2建立模型，空气层厚度设置为1.2微米，石英层厚度设置为1.2微米，二氧化钛层厚度设置为156.3纳米，脊型高度设置为15纳米，周期设置为400纳米；
[0053]空气的折射率设置为I，石英的折射率设置为1.46，二氧化钛的折射率为2.22，入射波长设置为633纳米，光速设置为3 X 18米/秒，计算TM模的透射系数随入射角度的关系；
[0054]以步长0.01纳米改变周期至400.1纳米，分别计算在不同周期位置TM模的透射系数与入射角度的关系；
[0055]如图6所示，图中给出不同周期情况下TM模的透射系数与入射角度的关系，可见，若把入射角度固定在5度，周期为400纳米时，透射系数为0%，随着周期变化，共振角度逐渐向大角度方向移动，透射系数逐渐变大，当周期变化为400.10纳米时，透射系数为75%，周期延长0.025%，透射系数变化75%。
[0056]实施例5
[0057]如图2建立模型，空气层厚度设置为1.2微米，石英层厚度设置为1.2微米，二氧化钛层厚度设置为158.33纳米，脊型高度设置为30纳米，周期设置为400纳米；
[0058]空气的折射率设置为I，石英的折射率设置为1.46，二氧化钛的折射率为2.22，入射波长设置为633纳米，光速设置为3 X 18米/秒，计算TM模的透射系数随入射角度的关系；
[0059]以步长0.05纳米改变周期至400.40纳米，分别计算在不同周期位置TM模的透射系数与入射角度的关系；
[0060]如图7所示，图中给出不同周期情况下TM模的透射系数与入射角度的关系，可见，若把入射角度固定在5度，周期为400纳米时，透射系数为0%，随着周期变化，共振角度逐渐向大角度方向移动，透射系数逐渐变大，当周期变化为400.40纳米时，透射系数为75%，周期延长0.1%，透射系数变化75%。
[0061 ] 实施例6
[0062]如图2建立模型，空气层厚度设置为1.2微米，石英层厚度设置为1.2微米，二氧化钛层厚度设置为163纳米，脊型高度设置为50纳米，周期设置为400纳米；
[0063]空气的折射率设置为I，石英的折射率设置为1.46，二氧化钛的折射率为2.22，入射波长设置为633纳米，光速设置为3 X 18米/秒，计算TM模的透射系数随入射角度的关系；
[0064]以步长0.1纳米改变周期至400.80纳米，分别计算在不同周期位置TM模的透射系数与入射角度的关系；
[0065]如图8所示，图中给出不同周期情况下TM模的透射系数与入射角度的关系，可见，若把入射角度固定在5度，周期为400纳米时，透射系数为0%，随着周期变化，共振角度逐渐向大角度方向移动，透射系数逐渐变大，当周期变化为400.80纳米时，透射系数为70%，周期延长0.2%，透射系数变化70%。
【主权项】
1.一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，其特征在于包括激光光源、光子晶体探头和探测器，所述激光光源经过准直器准直成平行光后入射到光子晶体探头，光子晶体探头背面设置探测器，所述激光光源与探测器为连动式， 所述光子晶体探头包括在石英表面生长的二氧化钛脊型光子晶体，所述二氧化钛脊型光子晶体侧面生长有一层钯基合金。2.根据权利要求1所述的一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，其特征在于所述准直后的激光以固定入射角度入射到光子晶体探头上。3.根据权利要求2所述的一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，其特征在于所述固定入射角度为光子晶体共振角度。4.根据权利要求3所述的一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，其特征在于在准直后的激光在光子晶体共振角度下的TM模透射系数为0%。5.根据权利要求1所述的一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，其特征在于所述光子晶体探头中光子晶体的周期、二氧化钛层的厚度与二氧化钛层脊型的高度在可见光波段可调。6.根据权利要求5所述的一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，其特征在于所述光子晶体的周期为400纳米，二氧化钛层的厚度为150纳米至180纳米，二氧化钛层的脊型高度为15纳米至50纳米。7.根据权利要求1所述的一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，其特征在于所述钯基合金或为钯金合金，或为钯乾合金。8.根据权利要求7所述的一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，其特征在于所述钯基合金的厚度为10纳米至100纳米。
【专利摘要】本实用新型公开一种角度依赖的光子晶体氢气传感器，在石英衬底上制备二氧化钛光子晶体，周期可调，在光子晶体两个侧面分别生长钯基合金薄膜，厚度可调，激光光束准直后以一固定角度（通常为光子晶体共振角度）入射到光子晶体上，此时的透射系数为0%，钯吸附氢气后体积会发生膨胀，从而拉伸光子晶体，使其周期变长，共振角度向大角度方向移动，入射角度位置的透射系数可以变化到70%以上，与传统反射式氢气传感器相比，灵敏度可以提高2-3个数量级。
【IPC分类】G01N21/59
【公开号】CN205384222
【申请号】CN201620017730
【发明人】周平伟, 朱礼国, 杜良辉, 翟召辉, 李江, 钟森城, 王德田, 刘乔, 孟坤
【申请人】中国工程物理研究院流体物理研究所
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2016年1月11日