CN113358605B - 一种基于双通道的pcf-spr光纤甲烷传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于双通道的pcf-spr光纤甲烷传感器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于双通道的PCF‑SPR光纤甲烷传感器及其制备方法和应用，属于传感器制备和气体检测技术领域。本发明利用基于表面等离子体共振型PCF气体传感器在设计中的理论基础，以及有限元法、耦合模理论与损耗光谱法，设计并优化了一种高灵敏度的SPR‑PCF甲烷传感器的基础上，进一步提出一种双通道的基于复合薄膜填涂的边孔型PCF‑SPR甲烷传感器，具有良好的实际应用之价值。

Description

一种基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于传感器制备和气体检测技术领域，具体涉及一种基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
光子晶体光纤PCF自问世以来受到了广大科研人员极大的关注。同时，随着表面等离子体共振现象的发现，基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器应运而生，与传统光纤传感器相比，交叉敏感、耦合损耗以及保偏特性等主要问题有了较大改进，可以制造多维结构，同时具有工作波长范围宽、模场面积大和可以实现多参数测量等一系列突出的优点。
光子晶体光纤传感器不仅能够对工业生产中产生的易燃、易爆、有毒、有害气体进行实时监测，还能够对实际生活中空气质量进行监测，巨大的市场需求增加科研人员研制新型气体传感与检测技术的热情。PCF气体传感器通常用来检测某种特定气体的浓度，从原理上讲，被检测气体的物理或者化学特性的改变能够引起特定的光学效应，则光纤气体传感器都可直接或者间接地运用到其中去。就光子晶体光纤气体传感器来说，传感信息会改变传输光的波长、相位、强度以及偏振态，通过观察传输光特性的改变进而实现气体浓度的检测。
然而，发明人发现，目前在对甲烷浓度进行检测的传感器中，当前的PCF-SPR气体传感器灵敏度较小、制造工艺较复杂，无法精确地测量气体浓度。
发明内容
基于上述现有技术的不足，本发明提供一种基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器及其制备方法和应用。本发明利用基于表面等离子体共振型PCF气体传感器在设计中的理论基础，以及有限元法、耦合模理论与损耗光谱法，设计并优化了一种高灵敏度的SPR-PCF甲烷传感器的基础上，进一步提出一种双通道的基于复合薄膜填涂的边孔型PCF-SPR甲烷传感器，具有良好的实际应用之价值。
本发明的第一个方面，提供一种基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器，所述PCF-SPR光纤甲烷传感器包括光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的端面设置有多个大孔，部分大孔内表面设置金属涂层，所述金属涂层表面包覆甲烷敏感层镀层。
其中，所述大孔沿轴心对称分布，所述大孔个数为双数，包括2个，4个，6个，8个，10个。进一步的，所述大孔个数为8个。在本发明的一个具体实施方式中，8个大孔在端面内呈十字型排布；具体的，包括4列，相邻的两列之间的圆心角为90°；则在端面上形成以轴心为原点，水平和竖直方向上排列的大孔分布于x轴和y轴上，其中在y轴方向的y＞0的部分以及x轴方向的x＜0的部分共4个大孔内表面设置金属涂层，所述金属涂层表面包覆甲烷敏感层镀层。
所述光子晶体光纤可采用蛋白石通过胶体晶体法制备得到。
所述金属涂层中使用的金属可以为金，采用高压化学气相沉积技术(CVD)，即通过高压加热的方式，使得气态或者蒸汽状态的金属等离子体发生化学反应，并且以原子态沉积在空气孔内侧，从而形成金属涂层薄膜。
所述甲烷敏感层镀层厚度控制为100-280nm，能够充分与周围环境中的甲烷气体发生反应，并且该甲烷敏感薄膜具有良好的重复性；其由笼形超分子材料Cryptophane A与固化的氟硅氧烷(UVCFS)制成。Cryptophane A对甲烷的敏感，因此选择其作为甲烷敏感层的材料。且制备甲烷敏感薄膜折射率随甲烷浓度的呈线性变化的规律，通过测量损耗波峰移动的位移量来测量甲烷浓度，具有较高的准确性。
本发明的第二个方面，提供上述基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器的制备方法，所述制备方法包括：
制备光子晶体光纤，在光子晶体光纤沿轴向贯通获得多个大孔，部分大孔内表面镀膜获得金属涂层，在金属涂层表面进一步涂敷甲烷敏感层镀层。
本发明的第三个方面，提供上述基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器在甲烷检测中的应用。
本发明的第四个方面，提供一种甲烷检测的方法，所述方法包括使用上述基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器对环境中的甲烷气体进行检测。经试验验证，甲烷传感器敏感度为-1.18571/％，线性度为99.98％。
上述一个或多个技术方案的有益技术效果：
上述技术方案设计并优化了一种基于复合膜填涂的边孔型PCF-SPR甲烷传感器。提出了一种八孔双通道甲烷光子晶体光纤传感器构型。分析了双甲烷构型中关键参数对传感器性能的影响，并选取了最佳参数，使得使检测仪器在较宽的频率范围内检测到甲烷传感器中的响应损耗光谱，并且使损耗光谱平滑完整，并且把共振峰调在了通信波段。
为了增强损耗光谱对甲烷浓度的响应程度，上述技术方案将光子晶体光纤和SPR技术相结合，并且特意将八个超大规格的边孔引入包层中，其中四个大尺寸边孔涂敷对甲烷敏感的复合膜。通过调节x偏振方向与y偏振方向上的损耗光谱，再将两个方向上的损耗相结合，将两组数据取平均，就可以达到准确测量混合气体中甲烷的浓度的目的。利用甲烷敏感材料的折射率随甲烷浓度的呈线性变化的规律，通过测量损耗波峰移动的位移量来测量甲烷浓度，具有较高的准确性。最后构建了损耗光谱波峰峰值的位移量和甲烷浓度呈线性变化的线性关系，通过最小二乘法拟合，得到了损耗波峰的位移量和甲烷浓度的函数。通过拟合得到甲烷传感器敏感度为-1.18571/％，线性度为99.98％。
解决了传统传感器无法精确测量气体浓度的难题，并且耐用性强，制作成本低，进一步提高了测量的灵敏度降低了制造工艺的难度。最后，实验结果表明，本传感器解决PCF-SPR气体传感器灵敏度较小、制造工艺复杂的难题，八孔双通道甲烷光子晶体光纤甲烷传感器能够准确测量环境中甲烷气体的浓度，并且测量结果比较精确。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的甲烷敏感薄膜折射率随气体浓度变化；
图2为本发明实施例1提供的八孔双通道甲烷光子晶体光纤传感器几何图形；
图3为本发明实施例1提供的晶格周期对光纤损耗光谱影响的关系图；
图4为本发明实施例1提供的甲烷敏感层膜厚度对光纤损耗光谱影响的关系图；
图5为本发明实施例1提供的氢气的大孔直径对光纤损耗光谱影响的关系图；
图6为本发明实施例1提供的甲烷金属膜厚度对光纤损耗光谱影响的关系图；
图7为本发明实施例1提供的模场分布图；
图8为本发明实施例1提供的损耗光谱随甲烷浓度的不同而产生移动的规律图；
图9为本发明实施例1提供的损耗光谱峰值随甲烷浓度变化而产生移动的规律；
图10为本发明实施例1提供的不同甲烷浓度下的光纤损耗光谱图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。另外，人们应当注意，本发明所用的术语“上”、“下”、“水平”、“竖直”等表示方位的术语，除非另有指明，否则仅是为了便于描述，并不限于任何一个位置或者空间方位。
如前所述，当前的PCF-SPR气体传感器存在灵敏度较小、制造工艺较复杂，无法精确地测量气体浓度等缺陷。
有鉴于此，本发明的一个典型具体实施方式中，提供一种基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器，所述PCF-SPR光纤甲烷传感器包括光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的端面设置有多个大孔，部分大孔内表面设置金属涂层，所述金属涂层表面包覆甲烷敏感层镀层。
其中，所述大孔沿轴心对称分布，所述大孔个数为双数，包括2个，4个，6个，8个，10个。进一步的，所述大孔个数为8个。为了增强损耗光谱对甲烷浓度的响应程度，将八个超大规格的边孔引入包层中，其中四个大尺寸边孔涂敷复合膜。这样，通过设计第二周大孔，可以有效的辅助，修正对于甲烷浓度的检测。即在本发明的一个具体实施方式中，8个大孔在端面内呈十字型排布；具体的，包括4列，相邻的两列之间的圆心角为90°；则在端面上形成以轴心为原点，水平和竖直方向上排列的大孔分布于x轴和y轴上，其中在y轴方向的y＞0的部分以及x轴方向的x＜0的部分共4个大孔内表面设置金属涂层，所述金属涂层表面包覆甲烷敏感层镀层。
所述光子晶体光纤端面上还均匀分布有小空气孔。
所述光子晶体光纤可采用蛋白石通过胶体晶体法制备得到。
蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体，其独有的颜色是由可见光的布拉格衍射产生的。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米级量级，可望成为制造近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效途径。
在溶液中，胶体颗粒小球表面带有电荷，在适当的电荷密度和颗粒浓度下，通过静电力相互作用，小球自组织生长成周期性结构，形成胶体晶体。
在毛细容器中，利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。当胶粒体积分数较高时，胶体悬浮颗粒以面心立方(FCC)点阵堆积；当体积分数较低时，倾向于体心立方(BCC)点阵堆积，晶体的密排面平行于器壁表面。
在已制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系，为了提高介电比，可以将胶体晶体小心脱水，得到紧密堆积的蛋白石结构。
所述金属涂层中使用的金属可以为金，采用高压化学气相沉积技术(CVD)，即通过高压加热的方式，使得气态或者蒸汽状态的金属等离子体发生化学反应，并且以原子态沉积在空气孔内侧，从而形成金属涂层薄膜。
所述甲烷敏感层镀层厚度控制为100-280nm，能够充分与周围环境中的甲烷气体发生反应，并且该甲烷敏感薄膜具有良好的重复性；其由笼形超分子材料Cryptophane A与固化的氟硅氧烷(UVCFS)制成。Cryptophane A对甲烷的敏感，因此选择其作为甲烷敏感层的材料。且制备甲烷敏感薄膜折射率随甲烷浓度的呈线性变化的规律，通过测量损耗波峰移动的位移量来测量甲烷浓度，具有较高的准确性。
具体的，所述甲烷敏感层镀层采取毛细管浸渍涂层技术将稀溶液涂涂敷在金属膜表面，然后用氮气流对膜的内表面进行抛光，在紫外线照射进行薄膜的干燥后即得。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器的制备方法，所述制备方法包括：
制备光子晶体光纤，在光子晶体光纤沿轴向贯通获得多个大孔，部分大孔内表面镀膜获得金属涂层，在金属涂层表面进一步涂敷甲烷敏感层镀层。
其中，所述光子晶体光纤的制备方法包括：采用蛋白石通过胶体晶体法制备。
蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体，其独有的颜色是由可见光的布拉格衍射产生的。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米级量级，可望成为制造近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效途径。
在溶液中，胶体颗粒小球表面带有电荷，在适当的电荷密度和颗粒浓度下，通过静电力相互作用，小球自组织生长成周期性结构，形成胶体晶体。
在毛细容器中，利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。当胶粒体积分数较高时，胶体悬浮颗粒以面心立方(FCC)点阵堆积；当体积分数较低时，倾向于体心立方(BCC)点阵堆积，晶体的密排面平行于器壁表面。
在已制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系，为了提高介电比，可以将胶体晶体小心脱水，得到紧密堆积的蛋白石结构。
所述金属涂层中使用的金属可以为金，采用高压化学气相沉积技术(CVD)镀膜获得金属涂层，即通过高压加热的方式，使得气态或者蒸汽状态的金属等离子体发生化学反应，并且以原子态沉积在空气孔内侧，从而形成金属涂层薄膜。
所述甲烷敏感层镀层厚度控制为100-280nm，能够充分与周围环境中的甲烷气体发生反应，并且该甲烷敏感薄膜具有良好的重复性；其由笼形超分子材料Cryptophane A与固化的氟硅氧烷(UVCFS)制成。Cryptophane A对甲烷的敏感，因此选择其作为甲烷敏感层的材料。
涂敷甲烷敏感层镀层具体方法包括：采用毛细管浸渍涂层技术将稀溶液涂涂敷在金属膜表面，然后用氮气流对膜的内表面进行抛光，在紫外线照射进行薄膜的干燥后即得。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器在甲烷检测中的应用。
本发明的又一具体实施方式中，提供一种甲烷检测的方法，所述方法包括使用上述基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器对环境中的甲烷气体进行检测。经试验验证，甲烷传感器敏感度为-1.18571/％，线性度为99.98％。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种基于复合膜填涂的边孔型PCF-SPR甲烷传感器，包括：光子晶体光纤，空气孔，金属膜以及甲烷敏感层；在所述带有八个超大型边孔的光子晶体光纤的四个相邻的大孔中利用化学沉积技术涂敷金属膜，在金属膜处涂敷所述甲烷敏感层。
在本实施例中，我们采用胶体晶体法获得光子晶体光纤。
蛋白石是一种具有不完全带隙的光子晶体,其独有的颜色是由可见光的布拉格衍射产生的。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米级量级,它可望成为制造近红外及可见光波段三维光子晶体的一条有效途径。
在溶液中,胶体颗粒小球表面带有电荷,在适当的电荷密度和颗粒浓度下,通过静电力相互作用,小球自组织生长成周期性结构,形成胶体晶体。
在毛细容器中,利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。当胶粒体积分数较高时,胶体悬浮颗粒以面心立方(FCC)点阵堆积；当体积分数较低时,倾向于体心立方(BCC)点阵堆积,晶体的密排面平行于器壁表面。
在已制备的胶体晶体多为聚苯乙烯乳胶体系和二氧化硅胶体颗粒体系，为了提高介电比,可以将胶体晶体小心脱水,得到紧密堆积的蛋白石结构。
光子晶体光纤制作完成后，通过CCD相机可采集光纤器件的具体形貌尺寸，如图3所示。
在本实施例中，将带有8个大孔的十字型排列的光子晶体光纤制作完成后，把光子晶体光纤经处理后的相邻的四个大孔处生在光子晶体光纤空气孔中进行选择性镀膜大多采用高压化学气相沉积技术(CVD),具体工艺是通过高压加热的方式，使得气态或者蒸汽状态的金属等离子体发生化学反应，并且以原子态沉积在空气孔内侧，从而形成金属涂层薄膜。
对甲烷敏感层的制作方法中，在金属薄膜内侧涂敷一层甲烷敏感材料厚度为t2,其有效折射率随甲烷浓度改变呈线性变化的甲烷敏感膜。利用Cryptophane A与紫外线固化的氟硅氧烷(UVCFS)制备出对甲烷敏感薄膜材料，采取毛细管浸渍涂层技术将稀溶液涂涂敷在金属膜表面，然后用0.4MPa的氮气流对膜的内表面进行抛光，在紫外线照射进行薄膜的干燥。
我们把光子晶体光纤和SPR技术相结合，并且特意将八个超大规格的边孔引入包层中，其中四个大尺寸边孔涂敷对甲烷敏感的复合膜。再就是通过调节x偏振方向与y偏振方向上的损耗光谱，再将两个方向上的损耗相结合，就可以达到准确测量混合气体中甲烷的浓度的目的。我们利用甲烷敏感材料的折射率随甲烷浓度的呈线性变化的规律，通过测量损耗波峰移动的位移量来测量甲烷浓度，具有较高的准确性。最后我们构建了损耗光谱波峰峰值的位移量和甲烷浓度呈线性变化的线性关系，通过最小二乘法拟合，得到了损耗波峰的位移量和甲烷浓度的函数。通过拟合得到我们的甲烷传感器敏感度为-1.18571/％，线性度为99.98％。解决了传统传感器无法精确测量气体浓度的难题，并且耐用性强，制作成本低，进一步提高了测量的灵敏度降低了制造工艺的难度。最后，实验结果表明，八孔双甲烷光子晶体光纤甲烷传感器能够准确测量环境中甲烷气体的浓度，并且测量结果比较精确。
本实施例中基于双气体通道的甲烷光子晶体光纤SPR甲烷传感器其传感原理为：
光子晶体光纤甲烷传感器结构模型如图2所示。光纤传感器中晶格周期为a，小空气孔半径为r，在上述选择的四个超大型空气孔镀上金属薄膜厚度为t1和t2(其中t1为y轴超大型边孔内侧的金属膜厚度，t2为x轴的超大型边孔金属膜厚度)，使其与纤芯基模发生耦合，激发表面等离子体共振效应。在光子晶体光纤空气孔中进行选择性镀膜采用高压化学气相沉积技术(CVD)，具体工艺是通过高压加热的方式，使得气态或者蒸汽状态的金属等离子体发生化学反应，并且以原子态沉积在空气孔内侧，形成金属涂层薄。此外，在金属薄膜内侧涂敷一层甲烷敏感材料厚度为tc和tf(其中tc为y轴甲烷敏感层厚度，tf为x轴甲烷敏感层厚度),其有效折射率随甲烷浓度改变呈线性变化。利用Cryptophane A与紫外线固化的氟硅氧烷(UVCFS)制备出对甲烷敏感薄膜材料，采取毛细管浸渍涂层技术将稀溶液涂涂敷在金属膜表面，然后用0.4MPa的氮气流对膜的内表面进行抛光，在紫外线照射进行薄膜的干燥。实验表明，在100-280nm厚度范围内，甲烷敏感薄膜能够充分与周围环境中的甲烷气体发生反应，并且该甲烷敏感薄膜具有良好的重复性，甲烷敏感薄膜折射率随甲烷浓度变化关系如下图1所示：
甲烷敏感薄膜折射率随气体浓度变化具体公式为
neff1＝1.4478-0.0038CCH4
对于金膜，其介电常数和折射率关系可以由Drude模型描述如下：
Figure GDA0003135555520000081
nm(λ)+jIm(neff)
其中εm、λc和λp分别是金的介电常数、等离子波长和碰撞波长，λc和λp均为常数且λp＝1.4541×10-7m、λc＝1.7614×10-5m；金折射率的实部和虚部分别由nm和km表示。其光强透射率(T)可表示如下：
Figure GDA0003135555520000082
利用损耗谱分析法分析响应光谱，通过绘制限制损耗关于波长的曲线图来分析损耗光谱的特征，当满足相位匹配条件时光子晶体光纤中会发生表面等离子体共振现象(SPR),此时纤芯模式的限制损耗可以根据光在该传播模式下的有效折射率的虚部计算得到，如下公式所示：
Figure GDA0003135555520000083
在Comsol仿真软件中对光子晶体光纤进行数值计算时可以得到的基模有效折射率，其表达式为复数形式，具体如下公式：
neff＝Re(neff)+jIm(neff)
在实际环境中，甲烷的浓度大约为0-3.5％，所以我们将甲烷浓度设置为0-3.5％，并且每隔0.5％进行一次扫描。由于甲烷敏感层的折射率随甲烷浓度线性变化，因此，我们可以根据通过测量不同甲烷浓度下损耗光谱峰值的移动来测量甲烷的浓度。图8便是损耗光谱随甲烷浓度变化的曲线，我们可以看到，损耗光谱的峰值随甲烷浓度的增加想短波方向移动，而且这个规律是线性的。损耗光谱随甲烷浓度的不同而产生移动的规律如图9所示。
下表中是经过参数化扫描得出的最优解：其中完美匹配层厚度PML＝1μm，总半径R＝8a
最优参数的选择
Figure GDA0003135555520000091
表中，r为空气孔半径；
tc为甲烷敏感层材料厚度
tf为辅助甲烷敏感层材料厚度
d2为y轴涂有甲烷敏感层的大孔直径
d1为x轴涂有甲烷敏感层的大孔直径
t1为金属膜厚度。
实验验证
光纤甲烷传感实验装置主要由；光子晶体光纤，空气孔，金属膜以及甲烷敏感层；在所述光子晶体光纤经处理后的四个大孔处生在光子晶体光纤空气孔中进行选择性镀膜大多采用高压化学气相沉积技术(CVD),具体工艺是通过高压加热的方式，使得气态或者蒸汽状态的金属等离子体发生化学反应，并且以原子态沉积在空气孔内侧，从而形成金属涂薄层，在金属涂层处涂覆甲烷敏感层镀层。
根据损耗光谱随甲烷浓度变化的规律，我们把峰值以及峰值对应的波长都单独提取出来，然后绘制在另一张坐标纸上，即得到下面的甲烷浓度变化与损耗波峰移动的规律的函数关系图。通过计算机最小二乘法的的方法可以计算出我们的光子晶体光纤甲烷传感器在进行甲烷浓度的传感时灵敏度可达k＝-1.18nm/％，其线性度高达99.8％，图9所示。
我们分别取了在甲烷浓度为0.6％，1.8％，2.6％的环境下利用双甲烷光子晶体光纤传感器测量甲烷浓度，并且和实际值相比较。在三种不同甲烷浓度下，我们得到的损耗光谱如图10所示。
实施例2
本实施例提供一种基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器及其制作方法，包括：
采用上述胶体晶体法获得光子晶体光纤后，在所述光子晶体光纤经处理后的四个大孔处生在光子晶体光纤空气孔中进行选择性镀膜大多采用高压化学气相沉积技术(CVD)技术。
在本实施例中，具体工艺是通过高压加热的方式，使得气态或者蒸汽状态的金属等离子体发生化学反应，并且以原子态沉积在空气孔内侧，形成金属涂层薄膜
在本实施例中，在金属薄膜内侧涂敷一层甲烷敏感材料厚度为t2,其有效折射率随甲烷浓度改变呈线性变化的甲烷敏感膜。
在本实施例中，利用Cryptophane A与紫外线固化的氟硅氧烷(UVCFS)制备出对甲烷敏感薄膜材料，采取毛细管浸渍涂层技术将稀溶液涂涂敷在金属膜表面，然后用0.4MPa的氮气流对膜的内表面进行抛光，在紫外线照射进行薄膜的干燥。
根据图8损耗光谱随甲烷浓度变化的规律，我们把峰值以及峰值对应的波长都单独提取出来，然后绘制在另一张坐标纸上，即得到下面的甲烷浓度变化与损耗波峰移动的规律的函数关系图。通过计算机最小二乘法的的方法可以计算出我们的光子晶体光纤甲烷传感器在进行甲烷浓度的传感时灵敏度可达k＝-1.18nm/％，其线性度高达99.8％，如下图9所示。
经过上述讨论及最小二乘法得到的结果，我们可以知道：当甲烷浓度变化时，损耗波峰会以线性规律移动，我们可以根据单位波长下损耗波峰的位移量来测量甲烷浓度。
具体公式如下：
CCH4＝-1.18571Δλ-0.05
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器，其特征在于，所述PCF-SPR光纤甲烷传感器包括光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的端面设置有多个大孔；
所述光子晶体光纤采用蛋白石通过胶体晶体法制备得到；
所述大孔沿轴心对称分布，所述大孔个数为双数；
所述大孔为8个，在端面内呈十字型排布；具体的，包括4列，相邻的两列之间的圆心角为90°，则在端面上形成以轴心为原点，水平和竖直方向上排列的大孔分布于x轴和y轴上，其中在y轴方向的y＞0的部分以及x轴方向的x＜0的部分共4个大孔内表面设置金属涂层，所述金属涂层表面包覆甲烷敏感层镀层。
2.如权利要求1所述的基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器，其特征在于，所述金属涂层中使用的金属为金，采用高压化学气相沉积技术制备金属涂层薄膜。
3.如权利要求1所述的基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器，其特征在于，所述甲烷敏感层镀层厚度控制为100-280nm；其由笼形超分子材料Cryptophane A与固化的氟硅氧烷制成。
4.权利要求1-3任一项所述基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
制备光子晶体光纤，在光子晶体光纤沿轴向贯通获得多个大孔，部分大孔内表面镀膜获得金属涂层，在金属涂层表面进一步涂敷甲烷敏感层镀层。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述光子晶体光纤的制备方法包括：采用蛋白石通过胶体晶体法制备；
所述金属涂层中使用的金属为金，采用高压化学气相沉积技术（CVD）镀膜获得金属涂层，即通过高压加热的方式，使得气态或者蒸汽状态的金属等离子体发生化学反应，并且以原子态沉积在空气孔内侧，从而形成金属涂层薄膜。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述甲烷敏感层镀层厚度控制为100-280nm；其由笼形超分子材料Cryptophane A与固化的氟硅氧烷制成。
7.权利要求1-3任一项所述基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器在甲烷检测中的应用。
8.一种甲烷检测的方法，其特征在于，所述方法包括使用权利要求1-3任一项所述基于双通道的PCF-SPR光纤甲烷传感器对环境中的甲烷气体进行检测。
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