《Sensors and Actuators A: Physical》：Slow-group-assisted optical evanescent-field interferometry via dual-tapered ellipsoidal fibers for hydrogen transduction
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•无金属膜的ZIF-90功能化双锥形椭球光纤干涉仪。•利用慢群速度辅助的波长转换实现高阶模干涉。•ZIF-90的衰减场效应实现了基于折射率的H?气体检测。•灵敏度为?1.196?nm/(vol% H?)，响应和恢复时间为0.55/0.40?秒。•在受控的温度和N?载气条件下，H?
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无金属膜的ZIF-90功能化双锥形椭球光纤干涉仪。
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利用慢群速度辅助的波长转换实现高阶模干涉。
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ZIF-90的衰减场效应实现了基于折射率的H?气体检测。
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灵敏度为?1.196?nm/(vol% H?)，响应和恢复时间为0.55/0.40?秒。
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在受控的温度和N?载气条件下，H?检测性能稳定。
引言
随着氢（H?）经济的快速发展，开发本质安全、可靠且实用的海氢泄漏监测传感器变得越来越重要。光纤传感器因其抗电磁干扰、可远程部署以及无火花操作的特点，非常适合用于危险环境。近期在干涉测量、光栅技术、表面等离子体共振（SPR）和衰减场传感方面取得了进展[1], [2], [3]。其中，干涉测量和衰减场技术尤其适用于H?检测，因为它们能够将功能性涂层中的折射率变化高效地转换为可测量的波长位移，同时保持光纤的完整性。利用模式干涉、衰减场效应或表面等离子体共振的光纤配置已经展示了调节光场与环境相互作用以提升检测响应的潜力。例如，多模-单模-多模光纤结构通过利用芯层与包层的模式干涉实现了磁场检测[4]；微光纤结谐振器则通过增强衰减场对磁流体包层的穿透来提高磁场检测灵敏度[5]。最近，侧抛光光纤结构结合表面等离子体共振技术，利用衰减波耦合实现了高灵敏度的磁场检测[6]。这些研究强调了工程设计光场分布和模式耦合对于增强对外部干扰响应的重要性，为开发基于衰减场增强效应的光纤传感器提供了有用的框架。
基于钯（Pd）的薄膜一直以来在光学H?传感中占据主导地位，因为Pd→PdH?的转变会产生显著的光学和机械变化。然而，长期使用时常会受到漂移、裂纹、滞后现象以及湿度引起的干扰的影响[7], [8]。金属氧化物或混合涂层（如Pd/WO?、Pt/WO?）虽然提高了循环速度和热稳定性，但往往会引入额外的温度-应变交叉敏感性，需要仔细的补偿或多层结构设计[9], [10], [11], [12]。光栅型传感器（如FBG和TFBG）具有快速读出能力和良好的光谱特性，但涂层引起的应力及温度耦合问题需要额外的补偿层或部分涂层设计[2], [10]。干涉测量结构（如Mach-Zehnder（MZI）和Fabry-Perot干涉仪（FP/IFPI）可以实现低检测限，但如果没有巧妙的结构设计，仍存在光路长度漂移和热串扰的问题[12], [13], [14]。这些 trade-offs 在关于光纤H?传感的最新综述中得到了系统性的记录[1], [8]。
金属有机框架（MOF）功能化的光学平台最近受到了关注，作为一种在不牺牲响应速度的前提下提高折射率调制效率的可行策略。由于MOF具有尺寸选择性的孔隙和可调的表面化学性质，它们能够实现快速且高效的气体-框架相互作用，非常适合实时气体分析[15]。在已报道的材料中，使用ZIF-8作为种子层制备的Co-ZIF-90薄膜对水蒸气的吸附和解吸表现出快速、可逆的光学响应[16]。
基于这些趋势，我们开发了一种经过ZIF-90功能化的双锥形椭球光纤干涉仪（EFI），专门用于灵敏的H?检测。双锥形结构增强了衰减场耦合效果，使得微小的H?引起的折射率变化能够产生明显的相位响应。实验结果显示，H?浓度从0.2%到4.0%时，波长会从1552.29纳米变化到1547.83纳米，相应的灵敏度分别为?1.196纳米/(体积% H?)（吸附）和?1.080纳米/(体积% H?)（解吸），具有良好的线性和重复性。该传感器展示了亚秒级的响应/恢复时间（0.55/0.40秒）和良好的温度稳定性（在27–45°C范围内变化小于0.03纳米），并且在氮气（N?）环境中暴露时光谱波动可忽略不计，证实了其在惰性载气条件下的稳定基线响应。
与基于Pd或氧化物的FBG/TFBG和SPR设计[2], [9], [10]相比，这种无金属膜的EFI具有以下优势：（i）无金属膜的物理传感结构，避免了氢化物引起的机械疲劳；（ii）通过衰减场效应和高阶模干涉的结合效应提高了光谱响应；（iii）由于采用整体石英结构，具有更好的温度稳定性；（iv）通过局部电弧放电处理实现了简单的光机械制造。这些特性解决了光学H?传感中的几个关键问题，包括灵敏度、温度稳定性和实际制造工艺。然而，在复杂环境中应用之前，湿度效应和多组分气体干涉仍需进一步评估[1], [2], [8]。
章节片段
传感器的微制造工艺
如图1所示，所制造的物理传感器具有双锥形微椭球几何结构，这是通过局部电弧放电处理实现的——这是一种适用于单模光纤的可重复微机械制造技术。图1(a)展示了椭球腰部的代表性显微镜图像。该结构是使用熔接机（Fujikura FSM-60S）通过对剥离并切割的光纤施加两次各2000毫秒的电弧放电而制成的。
实验装置
图4展示了实验装置，包括光学测量系统、密封测试腔、气体供应和流量控制模块（包含H?发生器、N?气瓶和质量流量控制器），以及用于浓度校准的商业H?传感器（MS600-H?）。作为光源使用了工作波长范围为1530–1600纳米、输出功率为25毫瓦的宽带光源（BLS, FSASE-CL-0030-B），以及光谱分析仪（OSA, YOKOGAWA AQ6370D）。
结论
我们开发了一种基于ZIF-90功能的衰减场双锥形椭球光纤干涉仪（EFI），它结合了衰减场效应和高阶芯层-包层模式干涉，实现了灵敏的H?检测。本征模式模拟证实了存在基本的HE11芯模式以及高阶类包层模式通道，这些模式提供了实验观察到的干涉响应的基础。实验测量的自由光谱范围（FSR）表明...
CRediT作者贡献声明
Hui Jia: 负责撰写初稿、数据可视化、验证、方法论设计、概念构思。Bo Dong: 负责撰写、编辑、项目监督、方法论设计、资金申请、概念构思。Zhuojun Wang: 方法论设计、数据整理。Yulong Wang: 数据可视化、验证、形式分析。Ziheng Yu: 数据可视化、验证、形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金（资助编号：2026A1515011145）、深圳市科技计划（资助编号：SGCX20250526142407010）和深圳市关键产业发展计划（资助编号：ZDCY20250901095708006）的资助。作者还要感谢广东省化合物半导体器件与芯片工程研究中心的支持。
Hui Jia出生于2002年，中国山东。她于2024年获得中国石油大学（华东）通信工程学士学位。目前，她在中国深圳大学攻读工程硕士学位。她的研究兴趣包括平面光纤声学传感器和光纤气体传感器的设计与制造。
Hui Jia|Bo Dong|Zhuojun Wang|Yulong Wang|Ziheng Yu
