光纤表面等离子体共振瓦斯气体传感器的研究

瓦斯气体的实时在线检测在煤炭、交通、石油、化工等工业，尤其在煤矿矿井、和交通隧道的安全监测中极为重要，由于其浓度过高引发的瓦斯爆炸给人民的生命财产和国家及地方经济造成了极大的危害。本课题拟开展高灵敏度和高准确度光纤气体瓦斯传感器的创新研究，将表面等离子体共振、光纤传感器、聚合物薄膜、纳米粒子等理论和技术相结合，开展原创性的应用基础研究工作,我们将设计和研制新型的光纤表面等离子体共振瓦斯气体传感器，重点解决瓦斯气体选择性探测、光谱信号解调、气体探测高灵敏度和准确率、及传感器长期稳定性等关键问题。光纤表面等离子体共振瓦斯气体传感器的研究将为煤炭业减少和消除由于瓦斯爆炸而带来的危险性和灾害提供安全可靠的监测和报警手段，并对交通、石油、化工、冶炼等工业现场及医疗、学校等环境中危险和有毒气体检测具有巨大的实用价值，因该项研究对于我国的经济发展、社会安全和人民生命健康具有重要的意义。

本课题针对基于表面等离子共振机理的光纤化学气体传感技术进行研究。将表面等离子激元及其共振、光纤传感器、微纳光学、聚合物薄膜、纳米材料等理论和技术进行有机结合，围绕着可实现化学气体传感检测的光纤表面等离子共振传感器开展了应用基础研究工作。. 通过本研究得到的主要结果可以概括为：基于亚波长金属介质结构表面等离子激元可以实现突破传统光学极限的超光学现象，所设计的微纳器件具有普通器件不具备的特性；将表面等离子激元及其共振机理与光纤材料相结合，建立了新型的光纤化学气体传感机制，具有和传统棱镜型表面等离子检测系统相比拟的技术特性；设计和制作了基于微光学处理技术的多种光纤表面等离子共振传感器，并将其用于气体及其他生化分子的检测；为消除温度、压力等环境因素的影响，在终端平面反射传感头上设计和实现了具有自补偿功能的传感结构；所设计的终端锥形反射式传感器可以实现多组分的气体测量；重点研究了聚合物薄膜用于气体选择性探测,采用理论模拟、仿真设计和实验相结合的方法，利用表面诱发型功能聚合物薄膜的设计，实现了对于化学气体等待测目标的选择性探测；将纳米粒子注入技术用于传感器灵敏度的提高，可以有效改善聚合物功能膜的均匀度和致密性，进而提高传感检测的灵敏度；完善和优化了多种棱镜式表面等离子工作传感系统，用于对于光纤表面等离子共振传感器的标定和校准；实现了具有自动探测、分析、存储和显示等功能的表面等离子共振光谱检测和信号解调技术，并进行了系统的测试和分析检测。. 上述研究结果表明，采用理论分析、建模仿真和实验研究相结合的方法，所建立的光纤表面等离子体共振化学气体传感器的新机制，可以简化传统的棱镜式表面等离子系统结构，突破其他光纤传感器的单一目标检测局限，实现对于不同化学气体的选择性检测，并可进一步实现多种气体的同时检测。另外，围绕表面等离子共振机理和传感技术，开展了其他相关光纤及纳米传感器的研究，拓宽了课题的研究内容和范围。本课题关于光纤表面等离子共振传感器及其应用技术的研究具有科学意义和应用价值。