主要内容
氢敏感材料的固有氢敏特性将直接影响氢气与敏感材料反应对光信号调制的强度，是高性能光纤传感器的关键基础，也是影响传感器性能的关键因素。光纤氢气传感器利用光纤器件与氢敏材料的结合，氢敏材料与氢气反应后会引起光纤器件物化性质的改变，并对光信号产生调制，通过检测光信号演变来监测氢浓度的变化。其中，光纤器件决定氢气与敏感材料反应对光信号调制的类型与方式，而敏感材料的固有氢敏特性将直接影响氢气与敏感材料反应对光信号调制的强度。
微镜型光纤氢传感器
1991年，Butler首次提出了微镜光纤氢传感器，将光纤微镜与金属Pd相结合，设计了集成化的光纤氢传感器。通过在多模光纤端面沉积Pd纳米薄膜，光源发出的光通过耦合器传输到光纤端面并发生反射，反射光通过耦合器传输到光电探测器中。由于Pd吸氢形成PdHx，其反射率发生改变，探测器接收到的光强发生变化，根据光强的变化可以得出环境中氢气浓度的变化。该传感器大大简化了光学系统设置，并引入了光纤集成化传感器的理念，为后续光纤氢传感技术的发展奠定了基础。
图3 微镜型光纤氢传感器示意图
干涉型光纤氢传感器
干涉型光纤传感器的工作原理为两个或多个具有恒定相位差的光束间形成稳定干涉，如果相位差发生微小的变化，会导致干涉光产生很大的变化，通过监测干涉光谱的变化达到高精度传感的目标。干涉型光纤氢传感器的工作原理是根据氢敏材料与氢气相互作用引起的光纤中光信号的相位、频率的变化，进而导致干涉光谱发生偏移，通过建立光谱偏移与氢气浓度之间的对应关系，得出环境氢气浓度的相关信息。根据光纤结构的不同，干涉型光纤氢传感器可分为马赫-曾德尔干涉仪（Mach-zender interferometer, MZI）、法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot interferometer, FPI）和萨格纳克干涉仪（Sagnac interferometer）。
图4 基于全光学光热技术氢传感系统示意图
光纤光栅氢传感器
基于Pd薄膜的FBG氢传感器的传感原理是Pd或Pd合金与氢反应引起金属晶格膨胀，导致光纤内部产生轴向应变，从而改变光栅周期和光纤纤芯折射率，进而导致光栅反射波长发生变化。1999年，Sutapun等人首次提出了基于Pd薄膜的FBG氢传感器，并用于静态的氢浓度测量，还可以采用波分复用的方式实现多路复用。实验结果表明，该传感器的测量范围为0.5%-1.4%，氢响应灵敏度为1.95×10-2nm/vol%。然而，当氢气浓度超过1.8%时，Pd薄膜发生脱落导致氢传感器产生不可逆的损坏。由于氢敏薄膜与光纤之间的体积差异很大，基于氢致应变诱导的FBG波长变化相对较小，因此，传感器的灵敏度较低。为了提高传感器的灵敏度，可以对FBG的结构进行优化。
图5 级联微纳FBG的氢传感器配置示意图
表面等离子体共振光纤氢传感器
表面等离子体共振（Surface plasmon resonance, SPR）是存在于金属-介质界面上的传导电子在外部电磁辐射激发下的相干振荡，其存在于金属表面。根据金属的微观形貌的不同可激发两种不同的模式：局域表面等离子体共振(Localized surface plasmon resonance, LSPR)和表面等离子体极化(Surface plasma polarization, SPP)。当满足特定的波矢条件时才可以激发SPR，而在平面上用普通的光照射很难激发，这就需要采用特殊的光学结构或方法来实现波矢匹配。早在2001年，Bévenot等人将光纤SPR用于氢气检测，将12nm的Pd膜沉积到光纤芯层上，在氢气环境下，Pd被氢化并改变纤芯折射率，通过检测透射光强度变化来评估环境氢浓度变化。在4%的氢气浓度下，该传感器响应度约为30%，响应时间大约为22秒，相应的恢复时间为50秒。
图6 合金纳米结构制备流程与在光纤上的转移
倏逝场光纤氢传感器
光在两种介质之间发生全内反射时，会在较低折射率介质中产生倏逝场；在光纤中，纤芯内的传输光束在芯包界面反射时也会产生倏逝波，并且倏逝场在远离纤芯/包层界面的方向上呈指数衰减。1999年，Tabib-Azar报道了第一个光纤倏逝场氢传感器。在该传感器制作过程中，首先对多模光纤的包层进行蚀刻，随后在处理的光纤表面沉积 Pd 薄膜作为包层。当Pd与氢发生反应后，Pd介电常数发生变化，伴随着明显的倏逝波吸收。Sekimoto等人报道了一种相似的光纤倏逝场氢传感器，只是氢敏材料由Pd变为Pd/WO3，得益于Pd的氢选择性以及WO3的气致变色特性，改进的传感器具有更好的氢传感性能。2022年，Alkhabet等人提出一种基于Pd/GO纳米复合材料的锥形光纤氢传感器。当氢气浓度由0.125%增至2%时，该传感器的响应灵敏度为33.22/vol%，响应时间为48秒，恢复时间为7分钟。
图7 基于Pd/GO纳米复合材料的锥形光纤氢传感器
结论
光纤氢传感器凭借本质安全、抗干扰强、响应极速的颠覆性优势，正成为氢能安全监测的“黄金标准”。当前技术已突破深海、航天、核工业等极端场景应用，但规模化落地仍面临敏感材料寿命、多气体交叉干扰、成本控制等挑战。未来，随着纳米涂层工艺普及、标准化体系完善及政策支持强化，该技术有望实现成本降低 80%，并且将石墨烯/MOFs新型材料与光子芯片集成、AI边缘计算等技术的融合，传感器将向纳米化、智能化、网络化跃进，推动氢能安全监测进入智能化、低成本时代，为全球能源转型提供可靠保障。这场“光与氢”的共舞，不仅为氢能产业筑起安全防线，更将催生能源革命时代的万亿级智能监测生态。
作者介绍
张信普，博士，大连理工大学物理学院副教授，2016年毕业于大连理工大学，获光学工程专业博士学位，2016年9月加入西南交通大学信息科学与技术学院，入选“雏鹰学者”人才计划，于2018年11月破格评为副教授；2021年1月加入大连理工大学物理学院。主要从事纤维集成-微纳光电子器件设计与制备、光纤传感技术与应用、特种光纤理论与设计、光学系统设计等相关研究。
彭伟，教授、博士生导师，2004年到2007年, 在美国亚利桑那州立大学的化学与应用化学系担任助理研究员，2007年到2009在美国物理光学公司的应用技术部担任高级工程师，辽宁省首批“兴辽英才计划”创新领军人物, 获得国家教育部“新世纪优秀人才支持计划”奖励。主要从事光纤传感器、微纳光子学和表面等离子共振等方面的理论及应用研究。
李晓彤，大连理工大学博士生，致力于光纤氢传感器、微/纳米材料集成器件的研究。目前发表SCI论文3篇。
文章信息
张信普, 李晓彤, 彭伟. 光纤氢传感技术现状与发展(特邀)．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20250072. DOI: 10.3788/IRLA20250072
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20250072（阅读原文）