氢气是一种无色、无味、易燃易爆的气体，是一种高效的清洁能源。氢气的分子量小，在生产、储存、运输和使用过程中很容易发生泄漏，且空气中的氢气含量达到4%到74.2%时，遇到明火会发生爆炸。鉴于氢气在食品卫生、能源动力和军事国防等领域的广泛使用，对氢气的检测有着十分重要的意义。目前氢气传感器主要有电化学型、电学型、光学型三大类。

电学型和电化学型氢气传感器，在安全性上有使用限制。在使用的过程中易产生电火花，有爆炸的可能性。与传统的电信号类型传感器相比，光学氢气传感器具有抗干扰能力强，耐腐蚀，安全性高等优点。

大多数的光学型传感器是将光纤与氢敏材料结合，利用氢敏材料与氢气反应后引起的光纤物理性质改变，通过检测输出光对应物理量变化来测量氢气浓度，由于传统的氢气传感器大多只能用作单点的测量，复用性和重复性较差。本课题主要研究氢气与光纤相互作用对布里渊频移的影响机制，为BOTDA系统实现分布式氢气传感奠定基础。

现一般有两种技术可以将氢气扩散到纤芯中，即载氢法和氢氧焰火刷法。载氢法首先由P.J.Lemaire等人在1993年提出，其基本原理是普通光纤在高温高压氢气中置放一段时间后，氢分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中。当特定波长的紫外光照射载氢光纤时，纤芯被照部分中的氢分子立即与锗发生反应形成Ge-OH和Ge-H键，从而使该部分的折射率发生永久性的增加。此技术成本低廉，制备简单。氢氧焰火刷法由F.Bilodeau等人在1993年提出，由于氢氧焰中的氢含量远高于氧含量，这样能够使过量的氢在高温的作用下扩散到纤芯中，实验证明其折射率变化可以达到10^-3。该方法最大的缺点是经过高温灼烧后，光纤变脆，使其应用受到限制。所以载氢法对于各类研究更为适用。

作为更普遍使用的载氢法，需要在高压下把氢气通入到光纤中，处理时间随实验条件而定。需要注意的是载氢光纤离开氢气环境后，光纤中的氢气会往外扩散，在室温条件下其载氢效果将消失。如果想保持长时间的载氢效果，需要对载氢光纤进行冷藏处理。

光纤氢气传感器是测量光纤内氢气浓度的一种方法。光纤氢气传感器是光学性氢气传感器中的一类，其主要工作原理是利用光纤与氢敏材料结合，通过氢敏材料与氢气反应后引起光纤物理性质的改变，导致光纤纤芯折射率的变化，通过检测输出光对应的波长或强度的变化测得氢气浓度。根据传感机理的不同，光纤氢气传感器又可以分为: 微透镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉格光栅型。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究内容和目标

本次设计的主要目标是研究光纤溶解度机制，探究氢气与光纤相互作用导致光纤的布里渊频移变化。通过高空间分辨率的GPT-BOTDA系统测量载氢光纤的布里渊频移量，

本次设计内容主要包括以下三个部分。第一，建立并完善氢气载入光纤模型，；第二，结合布里渊散射理论，研究载氢光纤的布里渊谱，分析氢气与光纤相互作用后对光纤布里渊谱影响；第三，分析温度和压强参数对氢溶解度的影响以及氢气浓度对光纤布里渊谱的影响。