基于Vernier效应的超灵敏氢传感器，采用锥形多芯光纤与Pd/hBN薄膜集成技术

《Sensors and Actuators A: Physical》：Ultrasensitive hydrogen sensor based on Vernier effect using tapered multicore fiber integrated with Pd/hBN film

氢传感器通过Vernier效应结合超模干涉与法布里-珀罗干涉仪实现高灵敏度检测，利用Pd/hBN薄膜和单光路紧凑设计抑制温度漂移，灵敏度达-18.27 nm/%，温度系数-1.2 pm/°C。

　　

摘要

本文提出了一种基于Vernier效应的双串行干涉模式的超灵敏光纤氢传感器，并通过实验进行了验证。该传感器采用由光纤和镀钯（Pd）的纳米级六方氮化硼（hBN）薄膜组成的Fabry–Perot干涉仪（FPI）作为传感腔体。利用锥形多芯光纤（TMCF）产生的超模干涉作为参考信号。该传感器具有独特的光谱特性，显著提高了氢气检测的灵敏度。此外，通过匹配两个干涉仪的温度系数，有效减轻了温度引起的漂移。所提出的传感器平均氢气灵敏度为$?$18.27 nm/%，温度系数为$?$1.2 pm/°C。这种紧凑、稳定且易于制造的设备非常适合痕量级氢气检测，在工业环境中具有广泛的应用前景。

引言

氢（${\text{H}}_2$）被广泛认为是化石燃料的有前景的清洁能源替代品[1]。然而，在运输或储存过程中氢气泄漏可能引发严重的爆炸危险[2]。因此，有效监测氢气泄漏对于其安全使用至关重要。大量研究致力于开发可靠的氢传感器[3],[4]。光纤氢传感器由于对电磁干扰的强抗干扰性和优越的长距离传输能力而优于传统电气传感器[5]。此外，它们的低功耗和固有的安全特性可以防止氢气环境中由电火花引发的爆炸[6]。

光纤氢传感器采用了多种传感机制，包括光纤布拉格光栅（FBGs）[7]、衰减场耦合[8]、表面等离子体共振（SPR）[9]和干涉测量[10]。干涉型光纤传感器在实现高灵敏度方面具有特别的优势。近年来，光学Vernier效应被广泛应用于此类传感器中，以增强光谱响应。这种效应源于两个自由光谱范围（FSR）略有不匹配的干涉仪的光谱叠加，在外部扰动下导致光谱包络显著放大[11],[12]。通过精心设计参考干涉仪，可以精确控制放大倍数[13]。因此，基于Vernier效应的光纤传感器已应用于压力、温度和氢气检测等多种领域[14],[15],[16],[17]。

尽管基于Vernier效应的光纤传感器具有较高的灵敏度，但在实际应用中仍存在一些局限性。大多数已报道的设计采用双光路并行配置，这增加了光纤对准、耦合和系统整合的复杂性[18],[19]。此外，环境温度波动可能导致光谱漂移，尤其是在使用热敏材料（如$\text{W}3）时，这对氢气检测构成了重大挑战[20]。值得注意的是，两个干涉仪之间的温度系数不匹配可能会通过Vernier效应机制放大热噪声，从而影响传感稳定性。我们之前曾使用镀钯的六方氮化硼（Pd/hBN）薄膜展示了双并行Fabry–Perot干涉仪配置用于氢气检测[21]。虽然这种方法提高了灵敏度并减少了温度干扰，但仍存在体积较大和对准复杂的问题。$

在这项工作中，我们提出了一种将双串行干涉仪集成在单光路中的紧凑型氢传感器。使用锥形多芯光纤（TMCF）产生超模干涉（SI），并在光纤端面使用Pd/hBN薄膜形成Fabry–Perot干涉腔（FPI）。这两种干涉光谱重叠后产生Vernier效应，从而实现高灵敏度的氢气检测。通过优化TMCF的锥度腰径，使SI和FPI干涉仪的温度灵敏度相匹配，有效抑制了温度引起的信号漂移。所提出的传感器平均氢气灵敏度为$?$18.27 nm/%，低温系数为$?$1.2 pm/°C。其单光路配置、紧凑的结构和高重复性使其成为复杂工业环境中实时监测氢气泄漏的理想选择。

传感器制造

所提出的氢传感器的示意图如图1(a)所示。传感元件是一个TMCF，它被插接在两个单模光纤（SMF）之间，在输出端面上沉积了一层薄薄的Pd/hBN薄膜。光从第一个SMF传播到TMCF，在其中中心芯和侧芯之间的多芯耦合产生超模干涉（SI）。然后光从TMCF输出到第二个SMF，在SMF端面和

实验装置

传感器表征的实验装置如图5所示。使用带宽为150 nm的宽带光源（BBS, LP-SLD）作为输入信号，并通过光谱分析仪（OSA, AQ637B）分析传输光谱。传感器水平固定在密封的气室中。通过两个质量流量控制器（MFCs, M32907-57）向气室中引入H2和空气，以调节混合比例并保持总流量恒定

结论

总之，本文开发了一种基于Vernier效应的新型氢传感器，结合了基于锥形多芯光纤的超模干涉和基于Pd/hBN薄膜的Fabry–Perot干涉仪。该传感器具有超高的氢气检测灵敏度，达到$?$18.27 nm/%。hBN薄膜的纳米级厚度和优异的弹性刚度确保了快速响应（60秒）和在0.1%氢浓度下的高重复性。此外，通过利用相似的温度特性

CRediT作者贡献声明

郭茂森：撰写——原始草案，项目管理，实验研究。张欣：撰写——审阅与编辑，方法论，资金申请。卢新春：实验研究，数据分析。袁英华：方法论，实验研究，资金申请。胡晓波：监督，实验研究。丁辉：撰写——审阅与编辑，方法论，资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金（NSFC）的资助，项目编号分别为51777150和51907146。

郭茂森目前在中国西安交通大学电气工程学院攻读仪器科学与技术博士学位，他的研究方向是光纤传感器。