[实用新型]一种角度依赖的光子晶体氢气传感器

说明书

技术领域

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

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、含氢化工产品生产、石油提炼、金属焊接等。

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。

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。

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

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。

实现本发明的技术方案是：

一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，

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明的工作原理为：

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%；

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；

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；

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；

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。