题目：光子晶体光纤氢气传感器研究

随着光纤传感技术的发展和成熟，已在很多传感领域显现出远优于传统传感技术的性能。传统氢气检测技术虽然能够准确、及时地发现氢气泄露，但以电信号为基础存在极大的安全隐患。本文结合氢敏材料的吸氢膨胀特性以及双光束干涉谱的形成机理，对基于光子晶体光纤的氢气传感技术进行研究。建立轴向、径向应力模型并进行仿真，明确主要敏感参数。采用磁控溅射技术将钯银合金（Pd/Ag）沉积于光子晶体光纤侧面构成氢气传感光纤，并将其熔接至光纤环中完成氢气传感系统的搭建。

1）分别介绍金属钯（Pd）吸氢膨胀的氢敏特性和光子晶体光纤的双折射特性参数：通过研究钯银配比与氢气在合金中溶解度之间的关系，得出钯银原子个数比为75:25时Pd/Ag合金可以吸收最多的氢气，引起自身最大限度的膨胀进而增强传感性能；光子晶体光纤双折射对于光纤内传输光的相位调制作用，能够改变双光束干涉仪透射端的干涉谱型。将这两种特性相结合，即可建立起氢气浓度与干涉谱型变化之间的联系。

2）根据光子晶体光纤在氢敏膜膨胀下的受力情况，分别建立起轴向、径向应力模型。通过应力诱导双折射原理，采用有限元分析法仿真研究光子晶体光纤双折射变化与氢敏膜膨胀之间的关系。在此基础上结合Pd/Ag合金膨胀与氢气浓度之间的关系以及本文推导的氢气检测系统传感公式，从理论上得出外界氢气浓度与干涉谱指示波谷偏移量之间的定量关系。

3）采用磁控溅射技术对光子晶体光纤侧面进行Pd/Ag合金沉积。实际镀膜中发现，最终得到的氢敏膜钯银比例是由靶材的钯银体积比以及两种金属的溅射速率共同决定的：Pd的溅射速率约为Ag的3倍，采用相同钯银体积比的靶材即可得到Pd:Ag=75:25的Pd/Ag合金。

4）搭建光子晶体光纤氢气传感系统，根据光子晶体光纤（PCF）与单模光纤（SMF）之间熔接损耗的产生机理，通过调节熔接参数最终得到理想的熔接效果。对传感系统进行实验验证，证明该氢气检测系统具有良好的传感特性和重复性，对不同浓度氢气也具有分辨能力。在此基础上对沉积不同参数氢敏膜的传感光纤进行实验，得出厚度在100-200 nm之间、长度比例0.7、Pd:Ag=75:25的氢敏膜具有最优传感性能的结论。