有机聚合物波导H2S气体传感器关键技术研究

摘要

硫化氢（分子式：H2S）是油气田开采过程中常见的副产物之一，不仅具有强烈腐蚀性，而且毒性极强，对人员、工业设备和环境都存在巨大的危害性。因此国内外对硫化氢气体检测技术开展了大量研究，其中光学式硫化氢气体传感器因为其无源、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，特别适用于易燃易爆等环境恶劣场合下进行长距离在线监测，目前光学式硫化氢气体传感器主要有光谱吸收型、倏逝波型、荧光型等，但存在体积庞大、灵敏度低等缺点。
　　本文针对高灵敏度、微型化硫化氢气体传感器技术，创新地将硫化氢敏有机聚合物与光波导技术相结合，提出了一种干涉型有机聚合物光波导硫化氢气体传感方法，开展了有机聚合物材料特性分析、波导结构设计与制作工艺、传感特性仿真与测试等理论和实验研究，研究结果表明该方法具有体积小、响应快、灵敏度高、易集成等特点。
　　本文主要工作内容包括：
　　1、采用光波导有效折射率法以及变分有效折射率法理论，结合硫化氢敏有机聚合物光学特性，建立了硫化氢敏有机聚合物光波导设计与分析模型，对波导结构与光学传输特性等进行仿真分析，获得单模传输脊型波导结构参数，为有机聚合物脊型光波导制作奠定了基础。
　　2、提出一种光纤 F-P腔结构的干涉型有机聚合物硫化氢气体传感器。在 F-P腔中填充硫化氢敏有机聚合物材料，利用硫化氢浓度变化所引起的折射率变化实现其高精度干涉测量。开展了光纤 F-P腔结构硫化氢气体传感器理论模型、光路结构设计、信号处理算法以及实验测试等研究，一方面验证了其实现高灵敏度硫化氢传感的可行性。另一方面通过实验，获得硫化氢敏有机聚合物材料折射率变化与硫化氢浓度间的关系，为M-Z结构干涉型有机聚合物光波导硫化氢传感器的研究奠定了基础。
　　3、设计了M-Z结构干涉型有机聚合物光波导硫化氢传感器，完成了Y分支波导结构设计，M-Z波导干涉仪结构设计等研究，并进行了M-Z结构的有机聚合物波导传感器特性仿真，结合有机聚合物材料折射率与气体浓度关系，通过模拟仿真，验证了M-Z结构干涉型有机聚合物波导传感器实现硫化氢气体高灵敏度传感的可行性。
　　4、开展了M-Z结构干涉型有机聚合物波导传感器脊型光波导制作工艺研究。在总结常规光波导制作工艺的基础上，设计了有机聚合物脊型光波导制作流程。利用反应离子刻蚀技术完成了有机聚合物脊型光波导的制作，测试结果表明制作的有机聚合物光波导满足设计尺寸的误差要求，为进一步制作有机聚合物M-Z干涉仪波导光路奠定了基础。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 光学硫化氢气体传感器的研究现状

1.3 本文的主要工作

1.4 本章小结

第二章 硫化氢敏有机聚合物脊波导设计与分析

2.1 光波导材料

2.2 光波导分析基础

2.3 有机合物脊型波导的设计

2.4 有机聚合物脊型波导的仿真

2.3 本章小结

第三章 F-P腔干涉型硫化氢气体传感器研究

3.1 聚乙烯亚胺和硫化氢气体反应原理

3.2 基于光纤F-P腔的有机聚合物折射率变化实验原理及系统搭建

3.3 实验过程及结果分析

3.4 本章小结

第四章 M-Z结构有机聚合物光波导传感器设计与仿真

4.1 Y分支波导结构设计

4.2 M-Z波导结构设计和仿真

4.3 本章小结

第五章 有机聚合物光波导的制作工艺研究

5.1 有机聚合物光波导的制作流程

5.2 本章小结

第六章 总结和展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果