基于单层多孔介质膜涂覆微纳光纤的微污染物传感技术研究

Due to the needs of semiconductor processing, environmental monitoring, high power laser system for micropollutant detection technique with characters of miniaturization, high sensitivity and inline, this project proposed the scheme of micropollutant sensing based on optical microfiber coated by single porous dielectric layer. The program takes advantage of the large evanescent field of optical microfiber, improves the adsorption capacity for micropollutant by coating single porous dielectric layer, which further enhances the micropollutant sensitivity. The theory part will be focused on the optical properties of single porous dielectric layer in the situation before and after contaminate, and the micropollutant sensitivity of our program. The experimental part will be focused on the fabrication of optical microfiber coated by single porous dielectric layer and the use of phase-locked technique to achieve high-precision intensity detection system. This project, which has a great future, will provide the optical microfiber micropollutant sensing technique with theoretical basis and key technical.

本项目针对半导体加工、环境监测、高功率激光系统等领域对小型化、高灵敏度、在线测试微污染物传感技术的迫切需求，结合微纳米光纤技术发展现状，提出了基于单层多孔介质膜涂覆微纳米光纤微污染物传感技术。该传感方案采用单层多孔介质膜涂覆技术弥补了微纳米光纤对微污染物吸附能力较弱的不足，利用了微纳米光纤强消逝场特性，传感灵敏度高。理论部分将重点研究单层多孔介质膜污染前后光学特性及基于单层多孔介质膜涂覆微纳米光纤微污染物传感的灵敏度，实验部分将重点研究单层多孔介质膜涂覆微纳米光纤制备技术及利用锁相技术实现高精度强度检测系统。本项目的开展将为微纳米光纤微污染物传感技术应用到实际提供理论基础和关键技术支撑，具有巨大的发展前景。

高真空环境中，非金属材料体内或表面某些成分容易因蒸发、升华、扩散等过程而脱离材料表面产生排气，产生的分子污染物再次沉积，从而造成系统污染。常规情况下，这部分污染对系统的影响可以忽略，但在高功率激光系统、航空航天设备、半导体制备等精密系统中，该污染将严重影响系统性能，甚至损坏整个系统。而现有传感技术难以同时满足实时、在线、小型化和高灵敏度应用需求，本项目提出了基于微纳光纤的分子污染物传感方案。. 本项目研究了单层多孔介质膜光学特性，得到了无污染单层多孔介质膜的折射率特性、污染后单层多孔介质膜的折射率特性和吸收特性，分析了基于单层多孔介质膜涂覆微纳光纤的微污染物传感机理，建立了单层多孔介质膜涂覆微纳光纤模型，得到了单层多孔介质膜涂覆微纳光纤微污染物传感的灵敏度、动态范围、分辨率等关键指标，形成了单层多孔介质膜涂覆微纳光纤制备技术，最后，设计了基于单层多孔介质膜涂覆微纳光纤微污染物传感技术的信号检测系统，通过分析系统误差，合理设计系统结构，搭建了测试系统，完成了检测系统基本性能测试。. 理论分析表明，当微纳光纤均匀区直径是2μm，长度为10mm，α为0.2，污染物薄膜折射率、吸收系数及微纳光纤的折射率分别为1.5、1/mm和1.451，污染物密度为0.88g/cm3，裸微纳光纤结构总损耗与吸附污染物面质量密度近似呈线性相关关系，线性系数约为0.03dB/ng/mm2时，镀膜微纳光纤结构总损耗与吸附污染物面质量密度线性关系稍差，但灵敏度与裸微纳光纤基本相同。实验研究表明，样机输出达到稳定后，最终损耗变化幅度小于0.001dB，对应污染物面质量密度测试精度优于0.03ng/mm2。. 本项目研究为基于微纳光纤的微污染物传感技术实用化奠定了基础，为航空航天、半导体加工、高功率激光系统等领域对高性能微污染物的实时监测提供了潜在解决方案。