專利名稱：光子晶體光纖流體傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感裝置，特別是能夠?qū)怏w、液體的濃度進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)測(cè)量的光子晶體光纖流體傳感裝置。
背景技術(shù)：
光子晶體光纖是一種微結(jié)構(gòu)光纖，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是光纖包層沿軸向均勻排列著具有二維周期性結(jié)構(gòu)的空孔陣列。光子晶體光纖包層微孔的大小與波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)相同，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)微孔大小、占空比以及排列方式或者在光纖空氣孔中填充特殊介質(zhì)等方式，能夠獲得一系列“奇異”的光學(xué)特性，可利用這些卓越性能研制新型的光纖傳感器。
本發(fā)明是一種光子晶體光纖流體傳感裝置，是基于光子晶體光纖包層的微孔結(jié)構(gòu)，利用表面特殊處理形成的凹陷敏感區(qū)，從而進(jìn)行流體濃度實(shí)時(shí)感測(cè)的光子晶體光纖流體傳感裝置。在公知的光纖傳感裝置中，目前尚沒有采用光子晶體光纖表面凹陷區(qū)進(jìn)行流體(液體、氣體)實(shí)時(shí)感測(cè)濃度的光子晶體光纖流體傳感裝置的專利報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種流體濃度實(shí)時(shí)感測(cè)的光子晶體光纖流體傳感裝置，并可應(yīng)用于液體、氣體的濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量。其技術(shù)方案如下這種光子晶體光纖流體傳感裝置，它包括光子晶體光纖、光纖接插器、普通光纖、光源、光探測(cè)器；其特點(diǎn)在于光子晶體光纖的一端經(jīng)光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖與光源連接；光子晶體光纖的另一端經(jīng)光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖再與光探測(cè)器連接。
本發(fā)明的傳感元件僅為一根三角形結(jié)構(gòu)光子晶體光纖，三角形結(jié)構(gòu)是指光纖橫截面上每三個(gè)相鄰的微空氣孔呈正三角形排列的結(jié)構(gòu)。該光纖經(jīng)腐蝕、拋磨或灼刻等技術(shù)使其表面形成凹陷的敏感區(qū)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于與光纖系統(tǒng)集成。
本發(fā)明的有益效果是傳感元件僅為一根光子晶體光纖，經(jīng)腐蝕、拋磨或灼刻等技術(shù)使其表面形成凹陷的敏感區(qū)。凹陷區(qū)形狀和深度靈活，能夠獲得多變的濃度傳感靈敏度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于與光纖系統(tǒng)集成?；诠庾泳w光纖本身的優(yōu)點(diǎn)，這種傳感裝置具有測(cè)量精度高、抗電磁干擾、靈活便攜、適合在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)。


圖1是三角形結(jié)構(gòu)光子晶體光纖表面凹陷區(qū)示意圖。
(a)截面圖，(b)側(cè)面圖。
圖2是三角形結(jié)構(gòu)光子晶體光纖表面環(huán)軸凹陷區(qū)示意圖。
(a)截面圖，(b)側(cè)面圖。
圖3是本發(fā)明的傳感測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)關(guān)系圖。
其中1.表面處理后的光子晶體光纖，2.光纖接插器，3.普通光纖，4.光源，5.光探測(cè)器。
具體實(shí)施例方式
在圖3中的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖中，這種光子晶體光纖流體傳感裝置，它包括光子晶體光纖、光纖接插器、普通光纖、光源、光探測(cè)器；其特征點(diǎn)于光子晶體光纖1的一端經(jīng)光纖接插器2與普通光纖3連接，普通光纖3與光源4連接；光子晶體光纖的另一端經(jīng)光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖再與光探測(cè)器5連接。
光子晶體光纖是玻璃或塑料材料的光子晶體光纖，每三個(gè)相鄰的微空氣孔呈正三角形排列；光纖表面敏感區(qū)可為沿光纖軸向的部分凹陷區(qū)、繞光纖軸的環(huán)繞凹陷區(qū)。
普通光纖為玻璃光纖或塑料光纖。
光子晶體光纖流體傳感裝置的工作環(huán)境溫度是-20℃～+70℃之間的某一恒溫。
光源是寬帶光源或可調(diào)諧光纖激光器。
光探測(cè)器是多波長(zhǎng)計(jì)或光功率計(jì)。
光子晶體光纖表面敏感區(qū)為沿光纖軸向的凹陷區(qū)，凹陷敏感區(qū)長(zhǎng)度L＝10.0mm，深度h＝30.0μm。根據(jù)Beer-Lambert定理，基于光子晶體光纖空氣孔中的瞬逝場(chǎng)與氣體吸收相互作用規(guī)律，光子晶體光纖中氣體濃度與光強(qiáng)度衰減關(guān)系為I(λ)＝I0(λ)exp[-rαm(λ)lC] (1)其中αm(λ)是氣體的吸收系數(shù)，l是光子晶體光纖結(jié)構(gòu)光纖的長(zhǎng)度，C是氣體的濃度，r是相對(duì)靈敏度，定義為r＝(nr/ne)f。其中nr和ne分別是氣體的折射率和光子晶體光纖中傳導(dǎo)模式的有效折射率，而f是空氣孔中能量占光子晶體光纖中總能量的百分比。
理論研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明把公式(1)中相應(yīng)的氣體參量用液體參量代換，(1)式亦可作為感測(cè)諸多液體的光子晶體光纖流體傳感基本關(guān)系式。
采用全矢量有限單元法計(jì)算了三角形結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖氣體傳感的相對(duì)靈敏度。光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)是空氣孔間距Λ＝3.2μm，空氣孔直徑為d。我們計(jì)算了三種情況下，空氣孔大小不同情況下的相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的變化關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。
根據(jù)(1)式，光子晶體光纖流體(氣體、液體)傳感特性主要由相對(duì)靈敏度r來表征，通過合理設(shè)計(jì)光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)，能夠得到較高r值的PCF。因此，通過合理的設(shè)計(jì)PCF結(jié)構(gòu)，能夠增大光子晶體光纖光場(chǎng)與流體(氣體、液體)的相互作用，提高光子晶體光纖感測(cè)流體(氣體、液體)的靈敏度。
實(shí)測(cè)中，該光子晶體光纖流體傳感裝置的工作環(huán)境溫度需保持恒定。在T＝-20℃～+70℃范圍內(nèi)，只要該光子晶體光纖流體傳感裝置保持在此溫度區(qū)間內(nèi)的某一恒溫，能夠?qū)α黧w(氣體、液體)的濃度進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體光纖流體傳感裝置，它包括光子晶體光纖、光纖接插器、普通光纖、光源、光探測(cè)器；其特征在于光子晶體光纖(1)的一端經(jīng)光纖接插器(2)與普通光纖(3)連接，普通光纖(3)與光源(4)連接；光子晶體光纖的另一端經(jīng)光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖再與光探測(cè)器(5)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于光子晶體光纖是玻璃或塑料材料的光子晶體光纖，光纖橫截面上每三個(gè)相鄰的微空氣孔呈正三角形排列；光纖表面敏感區(qū)可為沿光纖軸向的部分凹陷區(qū)、繞光纖軸的環(huán)繞凹陷區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于普通光纖為玻璃光纖或塑料光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于光子晶體光纖流體傳感裝置的工作環(huán)境溫度是-20℃～+70℃之間的某一恒溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于光源是寬帶光源或可調(diào)諧光纖激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于光探測(cè)器是多波長(zhǎng)計(jì)或光功率計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖傳感裝置，特別是能夠?qū)怏w、液體的濃度進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量的光子晶體光纖流體傳感裝置。該傳感裝置由光子晶體光纖、光纖接插器、普通光纖、光源、光探測(cè)器組成，光子晶體光纖的一端經(jīng)光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖與光源連接；另一端經(jīng)光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖再與光探測(cè)器連接。基于光纖包層的微孔結(jié)構(gòu)，利用表面特殊處理形成的凹陷敏感區(qū)實(shí)現(xiàn)流體濃度實(shí)時(shí)感測(cè)。具有測(cè)量精度高、抗電磁干擾、靈活便攜、適合在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變凹陷區(qū)形狀和深度，能夠獲得適宜的傳感靈敏度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易與光纖系統(tǒng)集成。
文檔編號(hào)G01N21/01GK1670507SQ20051001329
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月8日
發(fā)明者張偉剛, 開桂云, 金龍, 涂勤昌, 劉艷格, 王志, 袁樹忠, 董孝義 申請(qǐng)人:南開大學(xué)