[发明专利]基于Ag掺杂ZnO纳米花的光纤氨气传感器及制作方法

说明书

本发明公开了一种基于Ag掺杂的ZnO纳米花的光纤氨气传感器，包括依次连接的光源、引入单模光纤、第一细芯光纤、空芯光纤、Ag掺杂的ZnO纳米花层、第二细芯光纤、引出单模光纤和光谱仪，其中宽带光源中心波长为1550nm；经引入单模光纤将光传给第一细芯光纤；其与引入单模光纤对准熔接产生干涉，其信号模式耦合至空芯光纤；空芯光纤直径125μm，纤芯14.2μm，其内部为Ag掺杂ZnO纳米花层，两端于第一细芯光纤和第二细芯光纤对准熔接，将干涉信号通过引出单模光纤输出，并在表面打2个孔，分别为气体进气口和出气口，用于氨气传输；光谱仪对干涉模式检测透射谱获得传感数据。本发明还公开了相应的制作方法。借助ZnO纳米花增加与氨气间接触面积，可显著提高系统灵敏度。

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于Ag掺杂ZnO纳米花的光纤氨气传感器及制作方法。

背景技术

氨气是有害、无色、刺激性及有毒气体，其会导致气候变化和臭氧层的破坏。因此，现阶段迫切需要高灵敏度、高选择性且制备简单的光纤传感器。基于倏势场型的光纤传感器由于体积小、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀的特性一直受研究者关注。然而，目前对于基于倏势场的光纤传感器而言，仍存在灵敏度低的问题，并且对微纳光纤的制备技术有严格的要求，否则很难制备出结构参数、性能参数完全相同的微纳光纤。此外，微纳光纤在操作系统上容易断裂，因此，需要大量制备才能获得较好的光纤传感器。

针对上述问题，Narasimman等(参见“Narasimman S,Balakrishnan L,AlexZC.Fiber-Optic Ammonia Sensor Based on Amine Functionalized ZnO Nanoflakes”,IEEE Sensors Journal,2018,18(1):201-208.)提出了一种胺官能化ZnO纳米片的光纤氨气传感器，其改善了系统的灵敏度及选择性的问题，但是该结构需要对光纤进行化学腐蚀处理，在制作过程中存在一定的安全隐患并且操作困难。Zhu等(参见“Yi Z,Haiwei F,Jijun D,et al.Fabrication of three-dimensional zinc oxide nanoflowersforhigh-sensitivity fiber-optic ammonia gas sensors”,Applied Optics,2018,57(27):7924-7930.)提出了一种基于ZnO纳米花的高灵敏度的光纤氨气传感器，即在单模-多模-单模传感光纤上设计锥体结构，并在锥体结构上生长ZnO纳米花，构成了干涉型的光纤传感器，灵敏度为2.2pm/(μg-1)。虽然实现了一种3维ZnO纳米结构对氨气的检测，提高了系统的灵敏度，但设计成微纳光纤锥形结构，相应地造成了传感器的除尘系统的繁琐，而且难以实现封装。

发明内容

针对现有技术的缺陷以及改进需要，本发明提供了一种基于Ag掺杂ZnO纳米花的光纤氨气传感器及制作方法，其目的在于通过对光纤干涉性质的研究并对其灵敏部件的设计，由此有效的避开传感器锥体制作带来的封装困难的问题，同时借助于Ag元素掺杂ZnO纳米花来提高系统的灵敏性，以此制备出高选择性及高灵敏性的光纤氨气传感器。

按照本发明的一个方面，提供了基于Ag掺杂ZnO纳米花的光纤氨气传感器，其特征在于，该传感器包括依次连接的光源(1)、引入单模光纤(2)、第一细芯光纤(3)、气体进气口(4)、空芯光纤(5)、Ag掺杂ZnO纳米花层(6)、气体出气口(7)、第二细芯光纤(8)、引出单模光纤(9)和光谱仪(10)，其中：

所述光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm，用于产生光信号；

所述引入单模光纤(2)用于接收和传输光源(1)的光，并将其传输给第一细芯光纤(3)；

所述第一细芯光纤(3)与引入单模光纤(2)相对准熔接，用于产生干涉，并将干涉信号的模式耦合至空芯光纤(5)；