專利名稱：空芯光子晶體光纖氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖氣體傳感器，具體是一種基于空芯光子晶體光纖的高靈敏度、響應(yīng)速度快、量程大的空芯光子晶體光纖氣體傳感器。
背景技術(shù)：
光纖氣體傳感器是80年代后期出現(xiàn)的一種新型傳感器。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，它已應(yīng)用在社會生活的許多方面工業(yè)氣體在線監(jiān)測、有害氣體分析、環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測和爆炸氣體檢測以及對火山噴發(fā)氣體的分析。工業(yè)上的需要和人們對環(huán)境的關(guān)注使得光纖氣體傳感器的發(fā)展非常迅速。光纖氣體傳感器發(fā)展迅速是因?yàn)樗兄鴤鹘y(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢(1).非接觸式遙測能力。光纖傳輸損耗小，可允許光信息進(jìn)行長距離傳輸，從而能在遠(yuǎn)距離的安全地帶進(jìn)行遙控遙測。
(2).測量的安全性。光纖電絕緣性好、不受電磁干擾、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適合在強(qiáng)電磁干擾和易燃、易爆、高溫等惡劣環(huán)境下測量，這是光纖傳感器優(yōu)于電類氣體傳感器的重要特點(diǎn)。
(3).傳感單元結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠。
(4).易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。光纖的頻帶寬，能同時(shí)傳輸大容量的信息。采用多路復(fù)用技術(shù)，使多個(gè)光纖傳感器共用同一根光纖、同一光源和同一信號檢測設(shè)備，可形成多成分測量儀并降低了成本。
其中，光譜吸收型氣體傳感器是最重要，也是最簡單的一類光纖氣體傳感器。它利用氣體的吸收光譜因氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)、濃度和能量分布差異產(chǎn)生的不同進(jìn)行檢測，從而具有了選擇性、鑒別性和氣體含量的唯一確定性等特點(diǎn)。如果光源光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體的吸收線，則光通過待測氣體時(shí)會就發(fā)生衰減，輸出光強(qiáng)I、輸入光強(qiáng)I0和氣體的濃度C之間關(guān)系滿足比爾-朗伯定理，即I＝I0exp[-αLC] (1)式中α為一定波長下單位濃度、單位長度的介質(zhì)吸收系數(shù)；L為吸收路徑的長度；C為氣體濃度。上式可轉(zhuǎn)化為c=-1αLlnII0---(2)]]>由此可知，在波長λ一定的情況下，若氣體的吸收系數(shù)α已知，則氣體濃度c可以從λ光的輸入輸出光強(qiáng)I0和I的變化量來求出。這為研究光纖氣體傳感器提供了理論依據(jù)。
現(xiàn)有光纖氣體傳感器主要是利用光纖傳輸光信號，但是其檢測時(shí)與氣體充分接觸/裝盛的氣室主要是用鋁合金材料做成，且氣室的兩端分別設(shè)置有輸入/輸出透鏡(如圖1所示)。從光纖出來的入射光先要經(jīng)過輸入透鏡準(zhǔn)直變?yōu)槠叫泄?，然后通過通有氣體的氣室，再經(jīng)過聚焦輸出透鏡耦合到光纖。因?yàn)楣饴凡豢赡芙^對準(zhǔn)直，光纖的數(shù)值孔徑有一定的范圍，光信號在這里要損失一部分；另外，有時(shí)為提高有效光程，甚至還得經(jīng)常在氣室兩邊加上反射鏡，使光在氣室中往返反射傳輸來增加氣體與光的作用距離，因此使得系統(tǒng)裝置比較復(fù)雜，吸收光程不易控制，光路的耦合損耗也比較大，最終致使測量的靈敏度也不高。
針對現(xiàn)有光纖氣體傳感器采用氣室所存在的問題出現(xiàn)了以光纖直接作為氣室的氣體光纖傳感器，例如專利號為“200410037099”的中國專利公開了一種采用納米級微孔結(jié)構(gòu)光纖的氣體濃度傳感器，設(shè)有至少1只發(fā)光二極管，發(fā)光二極管發(fā)出的光路上設(shè)有自聚焦透鏡、在自聚焦透鏡前分別設(shè)有玻璃光纖和納米光纖，一路光經(jīng)過透鏡進(jìn)入玻璃光纖，另一路光經(jīng)透鏡進(jìn)入納米光纖，兩光纖的另一端分別接光電探測器，在光電探測器前設(shè)有光濾波片，光電探測器輸出端經(jīng)鎖相放大器外接氣體濃度監(jiān)測電路。其中采用的納米光纖是一種內(nèi)部布滿納米級的連通或部分連通微孔的光纖。該項(xiàng)專利從一定程度上解決了現(xiàn)有光纖氣體傳感器所存在的問題，但是由于該結(jié)構(gòu)的氣體濃度傳感器仍采用透鏡進(jìn)行光信號耦合，因此仍存在耦合損耗的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有光纖氣體傳感器存在系統(tǒng)裝置比較復(fù)雜、吸收光程不易控制、光路的耦合損耗也比較大的問題，提供了一種空芯光子晶體光纖氣體傳感器。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種空芯光子晶體光纖氣體傳感器，包括光源、通過普通光纖、光分路器與光源連接的導(dǎo)光氣室光路和采用普通光纖的參考光路、及設(shè)置于導(dǎo)光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極管、鎖相放大器的用于為外部氣體濃度監(jiān)測電路提供信號的信號轉(zhuǎn)換部分，導(dǎo)光氣室采用其上開有微米級大小透氣微孔的空芯光子晶體光纖。光源發(fā)出的光經(jīng)過普通光纖后，通過光分路器(1∶1)，一束光進(jìn)入其內(nèi)充滿待測氣體的空芯光子晶體光纖，并與空芯光子晶體光纖內(nèi)的氣體相互作用；另一束光作為參考光直接進(jìn)入普通光纖，然后攜帶有濃度信息的光信號和參考光信號分別傳輸?shù)焦怆姸O管處并轉(zhuǎn)換成電信號，送入鎖相放大器進(jìn)行線性處理、功率放大，經(jīng)功放處理后的電壓信號最終傳輸至外部氣體濃度監(jiān)測電路處理，即可得到氣體的濃度信息。所述的外部氣體濃度監(jiān)測電路是現(xiàn)有公知技術(shù)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易實(shí)現(xiàn)，因此在說明書中未作詳細(xì)說明。光子晶體光纖又稱多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖，是由在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成，通過這些微小空氣孔對光的約束，實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)。它分實(shí)芯和空芯光纖。所謂空芯光纖(即空芯光子晶體光纖)是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃管周圍的光纖。因?yàn)橹挥泻苌僖徊糠止庠诠璨牧现袀鬏?，所以相對于常?guī)光纖來說，材料的非線性效應(yīng)明顯降低，損耗也大為減少。據(jù)預(yù)測，空芯光子晶體光纖最有可能成為下一代超低損耗傳輸光纖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用在空芯光子晶體光纖上加工一些微米級大小使光纖內(nèi)的石英玻璃管與外界相通的透氣微孔，使被測氣體很容易進(jìn)入氣室(即空芯光子晶體光纖內(nèi)的石英玻璃管內(nèi))，為測量氣體濃度提供必要條件。
本發(fā)明采用其上開有微米級大小透氣微孔的空芯光子晶體光纖來代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣室，由于普通光纖與空芯光子晶體光纖之間可以直接耦合，所以不需要輸入/輸出透鏡，又由于空芯光子晶體光纖的長度即有效光程，所以不需要反射鏡，直接增加光纖長度即可增加氣體與光的作用長度(即吸收光程)。不但減少了光的損耗，提高了有效吸收光程和器件的響應(yīng)速度，同時(shí)具有整個(gè)裝置體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)靈活簡單、穩(wěn)定可靠，更適用于現(xiàn)場氣體監(jiān)控等很多令人矚目的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為現(xiàn)有光纖氣體傳感器的氣室結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明經(jīng)過微孔加工后的空芯光子晶體光纖氣室的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為空芯光子晶體光纖氣體傳感器系統(tǒng)裝置圖；圖中1-普通光纖；2-空芯光子晶體光纖；3-透氣微孔；4-氣體分子；5-防塵透氣罩；6-鋁制氣室；7-輸入透鏡；8-輸出透鏡；9-光源；10-光分路器；11-光電二極管；12-鎖相放大器；13-光開關(guān)；14-光譜儀；15-外部氣體濃度監(jiān)測電路。
具體實(shí)施例方式
一種空芯光子晶體光纖氣體傳感器，包括光源9、通過普通光纖1、光分路器10與光源9連接的導(dǎo)光氣室光路和采用普通光纖1的參考光路、及設(shè)置于導(dǎo)光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極管11、鎖相放大器12的用于為外部氣體濃度監(jiān)測電路15提供信號的信號轉(zhuǎn)換部分，導(dǎo)光氣室采用其上開有微米級大小透氣微孔3的空芯光子晶體光纖2。
所述導(dǎo)光氣室光路進(jìn)光端設(shè)置有光開關(guān)13，光分路器10可通過光開關(guān)13連接多路其上開有透氣微孔3的空芯光子晶體光纖2，通過控制光開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對多處地點(diǎn)的氣體濃度測量；所述的光源9采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器；分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB LD)是一種內(nèi)含介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)，能夠在更寬的工作溫度和工作電流范圍內(nèi)抑制在普通半導(dǎo)體LD中常見的模式跳變，大大改善了噪音特性。它具有譜線窄、功率大等特點(diǎn)。DFB LD作為光源的氣體傳感技術(shù)在靈敏度、選擇性、動態(tài)范圍、信噪比和響應(yīng)時(shí)間等方面比傳統(tǒng)方法具有諸多優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施時(shí)，可以通過飛秒超短脈沖激光微孔加工的方法，在空芯光子晶體光纖2上加工一些微米級大小使光纖內(nèi)的石英玻璃管與外界相通的透氣微孔3，由于激光具有良好的聚焦特性，能使光束斑點(diǎn)會聚到波長量級，在很小的區(qū)域內(nèi)集中很高的能量。而且飛秒超短脈沖激光的脈沖持續(xù)時(shí)間短，能將脈沖能量集中在幾個(gè)至幾百個(gè)飛秒的極短時(shí)間內(nèi)，其損傷閾值是精確值。將激光的能量控制在正好等于或略高于損傷閾值，則只有高于損傷閾值的部分產(chǎn)生燒蝕，熱影響區(qū)小，因此可在空芯光子晶體光纖上進(jìn)行低于衍射極限的亞微米加工；另外，為了防止環(huán)境中塵土對空芯光子晶體光纖的影響，可以采用防塵透氣罩5把光纖保護(hù)起來。
另外，考慮到有可能有其它氣體(主要是水蒸氣)的吸收譜和被測氣體的光譜有部分重合，因此所述導(dǎo)光氣室光路和參考光路的出光端設(shè)置有光譜儀14，用以對干擾光譜進(jìn)行濾除。
由于不同氣體的吸收光譜不同，所以必須針對被測氣體的吸收光譜和實(shí)際需要來確定所選器件的型號和測量范圍，以下器件僅做參考1.光分路器采用深圳市訊達(dá)康通訊設(shè)備有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品編號為7889-16577的光分路器；2.光開關(guān)采用桂林光隆光電科技有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品編號為SUN-FSW-MXN的光開關(guān)；3.光電二極管采用海特光電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的InGaAs PIN光電二極管；4.空芯光子晶體光纖采用F-AIR-11/1550型號的光纖。
權(quán)利要求
1.一種空芯光子晶體光纖氣體傳感器，包括光源(9)、通過普通光纖(1)、光分路器(10)與光源(9)連接的導(dǎo)光氣室光路和采用普通光纖1的參考光路、及設(shè)置于導(dǎo)光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極管(11)、鎖相放大器(12)的用于為外部氣體濃度監(jiān)測電路(15)提供信號的信號轉(zhuǎn)換部分，其特征在于導(dǎo)光氣室采用其上開有微米級大小透氣微孔(3)的空芯光子晶體光纖(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空芯光子晶體光纖氣體傳感器，其特征在于所述導(dǎo)光氣室光路進(jìn)光端設(shè)置有光開關(guān)(13)，光分路器(10)通過光開關(guān)(13)連接多路其上開有透氣微孔(3)的空芯光子晶體光纖(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空芯光子晶體光纖氣體傳感器，其特征在于所述導(dǎo)光氣室光路和參考光路的出光端設(shè)置有光譜儀(14)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖氣體傳感器，具體是一種空芯光子晶體光纖氣體傳感器。解決了現(xiàn)有光纖氣體傳感器存在系統(tǒng)裝置比較復(fù)雜、吸收光程不易控制、光路的耦合損耗也比較大的問題，包括光源、通過普通光纖、光分路器與光源連接的導(dǎo)光氣室光路和采用普通光纖的參考光路、及設(shè)置于導(dǎo)光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極管、鎖相放大器的用于為外部氣體濃度監(jiān)測電路提供信號的信號轉(zhuǎn)換部分，導(dǎo)光氣室采用其上開有微米級大小透氣微孔的空芯光子晶體光纖。采用其上開有微米級大小透氣微孔的空芯光子晶體光纖來代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣室，減少了光的損耗，提高了有效吸收光程和器件的響應(yīng)速度，適用于現(xiàn)場氣體監(jiān)控。
文檔編號G01N21/25GK1900696SQ200610012988
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月26日
發(fā)明者薛晨陽, 張文棟, 熊繼軍, 劉俊, 張斌珍, 陳尚, 謝斌 申請人:中北大學(xué)