基于表面等离激元结构的氢气传感方法研究

Hydrogen sensing has become an important issue which is related to the wide application of hydrogen energy. In this project, we propose a novel hydrogen sensing method which is based on the detection of the transmitted field distributions of a plasmonic structure. The proposed optical hydrogen sensing method has the advantages of high sensitivity, system's simplicity and ease of integration with active device. By investigating the modulation of phases of radiation lights decoupled from surface plasmon polariton waves by the hydrogen-sensitive microstructures, a design method of a plasmonic structure for hydrogen sensing is induced and established, of which the size and position of the focusing spot or the angle of the directional beaming is sensitive to the hydrogen concentration; by the use of electron beam lithography and focused ion beam lithography the surface of a plasmonic structure is decorated with hydrogen-sensitive microstructures, and the preparation process of the plasmonic structure for hydrogen sensing is developed. This project will provide theoretical basis and experimental exploration for the practical application of the new hydrogen sensing method and will open up a new way for the development of the optical hydrogen sensing technique.

氢气传感方法研究是关系氢能源技术应用普及的重要课题。本项目首次提出一种以测量表面等离激元结构出射光场的空间分布变化，实现氢气浓度监测的新的氢气传感方法，提出的光学氢气传感方法具有灵敏度高、响应快、抗干扰性强、系统简单、易于与有源器件集成等优点。本项目将通过研究氢气敏感微结构对表面等离激元散射场相位的调制关系，归纳、建立聚焦光斑位置、尺寸或光场束流方向角度对氢气浓度敏感的表面等离激元结构的设计方法；运用电子束光刻、聚焦离子束刻蚀等微加工技术实现氢气敏感微结构在表面等离激元结构表面的修饰与加工，摸索形成氢气传感表面等离激元结构的制备工艺方法，最终为这一新的光学氢气传感技术实用化提供必要的理论依据和实验探索。本项目的研究将为光学氢气传感技术的研究开创新的思路，具有广阔的应用前景。

氢气传感方法研究是关系氢能源技术应用普及的重要课题，以光学手段实现氢气的安全快速检测是氢气传感领域中的重要研究方向，目前光学氢气传感方法普遍采用光强或光谱检测形式，课题组提出了一种基于表面等离激元结构并以测量其出射光场的空间分布变化为传感手段的氢气检测方法，为光学氢气传感开辟了一种新途径，具有重要的研究意义与应用价值。.课题组以典型的slit-grooves为研究对象，综合运用理论建模、数值与仿真计算等多种手段对氢气敏感凹槽散射单元与SPP的相互作用机理进行了研究，探索获得了在氢气浓度响应下的以排布凹槽散射单元实现对SPP散射场相位连续调控的重要规律，为出射光场分布对氢气浓度灵敏、显著响应的表面等离激元结构的设计提供了理论依据。课题组从束流方向角度与束斑尺寸两种检测形式开展了氢气传感表面等离激元结构的研究设计工作，完成了方向角度对氢气敏感的单向束流与双向束流表面等离激元结构，以及束斑尺寸对氢气敏感的表面等离激元结构的设计与优化，并对优化设计的氢气传感表面等离激元结构的微机电制作工艺开展了探索性研究。在氢气传感器的光纤化与系统简便化方面，课题组开展了将可调谐半导体吸收光谱技术应用于氢气检测的一种光纤氢气传感器的设计与研究工作。在拓展性研究方面，项目组在基于染料吸收光谱的光纤气体传感技术，以及基于波长扫描与时分复用相结合的光纤光栅阵列波长解调方法等方面开展了探索性研究。.在国家自然科学基金的支持下，本项目的研究成果已在国内外杂志上发表期刊论文3篇，申请发明专利3项。