專利名稱：微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器及其檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖傳感領(lǐng)域，涉及一種能夠檢測(cè)氣體濃度的微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵傳感器，以及利用該傳感器進(jìn)行氣體檢測(cè)的裝置。
背景技術(shù)：
在工業(yè)安全生產(chǎn)、環(huán)境質(zhì)量與污染監(jiān)測(cè)方面，氣體檢測(cè)已成為了一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容。特別是在惡劣或危險(xiǎn)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的需求，更是迫切和廣泛。光纖型傳感器由于其自身制作簡(jiǎn)單、抗電磁干擾、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，從上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，就廣泛應(yīng)用于氣體傳感領(lǐng)域，發(fā)展出了很多——例如CO，C02，CH4, C2H2等光纖氣體傳感器。光學(xué)式的氣體傳感器中，常用的檢測(cè)原理有光譜吸收型，熒光型，光纖化學(xué)材料型等。其中光譜吸收法在檢測(cè)氣體濃度方面應(yīng)用最為廣泛，其原理是基于分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)吸收譜與光源發(fā)光光譜間的光源一致性。采用這一方法檢測(cè)氣體濃度，必須要配備樣品池來(lái)盛放氣體，這就對(duì)光路的耦合提出了更高的要求，并影響到整個(gè)系統(tǒng)的小型化和封裝性，很大程度上制約了其與光纖技術(shù)的結(jié)合。微結(jié)構(gòu)光纖的出現(xiàn)，很好的解決了上述問(wèn)題。其獨(dú)特的空氣孔設(shè)計(jì)，為氣體和液體提供了很好的通道。在微結(jié)構(gòu)光纖的孔內(nèi)，物質(zhì)和光的倏逝場(chǎng)相互作用，從而對(duì)輸出光的特性產(chǎn)生一定影響。通過(guò)分析輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的變化，便能夠得到孔內(nèi)物質(zhì)的一些特性° "Design and modeling of a photonic crystal fiber gas sensor，，(Yeuk L. Hoo, Wei Jin, Chunzheng Shi, Hoi L. Ho, Dong N. Wang, and Shuang C. Ruan, App 1. Opt., Vol. 42，Issue 18，pp. 3509-3515 (2003)) —文中就提出了利用光子晶體光纖制作基于倏逝波傳感的全光纖氣體傳感器，并建立了理論模型，分析和計(jì)算了傳感器靈敏度和響應(yīng)時(shí)間與微結(jié)構(gòu)光纖參數(shù)的關(guān)系。之后CN2006100U988. 9空芯光子晶體光纖氣體傳感器的專利，提出了利用空芯光子晶體光纖作為氣室的具體結(jié)構(gòu)，很好地解決了基于光譜吸收原理的光纖氣體傳感器系統(tǒng)裝置比較復(fù)雜、吸收光程不易控制、光耦合損耗較大等問(wèn)題。但是這些傳感方案都是基于透射譜的分析，并且對(duì)檢測(cè)的氣體沒(méi)有特異性的選擇，結(jié)構(gòu)也不夠緊湊，通常包含了一些電子器件，這些都在一定程度上，降低了其實(shí)用性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的，就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器以及利用該光纖所組成的氣體濃度檢測(cè)裝置。本實(shí)用新型的基本構(gòu)思是利用微結(jié)構(gòu)光纖作為氣室，并在其上刻寫(xiě)光纖布拉格光柵(FBG)，利用MOFBG作為波長(zhǎng)選擇性反射鏡，形成全光纖的反射式氣體傳感器。本實(shí)用新型解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案為微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器，包括一段單模光纖和一段微結(jié)構(gòu)光纖，單模光纖的一端與微結(jié)構(gòu)光纖的一端光連接，單模光纖的另一端作為傳感器的輸入/輸出端。[0008]所述的單模光纖的纖芯上有一段波長(zhǎng)為K的布拉格光柵，微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯上有一段波長(zhǎng)為的布拉格光柵。所述的Ar波長(zhǎng)遠(yuǎn)離待測(cè)氣體吸收峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，所述的As波長(zhǎng)覆蓋待測(cè)氣體吸收峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。一種氣體濃度檢測(cè)裝置，包括微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器、光環(huán)形器、寬帶光源和光譜儀；光環(huán)形器的1端口與寬帶光源的輸出口光連接，光環(huán)形器的3端口與光譜儀的輸入口光連接，光環(huán)形器的2端口與微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器的輸入/輸出端。一種氣體濃度檢測(cè)裝置，包括微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器、光環(huán)形器、耦合器、光譜儀、激光泵浦光源和寬帶光源；激光泵浦光源的輸出口與耦合器的一個(gè)輸入端口光連接，寬帶光源的輸出口與耦合器的另一個(gè)輸入端口光連接，耦合器的輸出口與光環(huán)形器的1端口光連接，光譜儀的輸入口與光環(huán)形器的3端口光連接，微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器的輸入/輸出端與光環(huán)形器的2端口光連接；所述的微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器中的微結(jié)構(gòu)光纖段的芯層上摻雜有鈷
^^ I^l O本實(shí)用新型主要具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用(反射式結(jié)構(gòu))、對(duì)氣體識(shí)別具有特異性、抗干擾性好、適宜復(fù)雜條件、適用于遠(yuǎn)程分布式傳感等優(yōu)點(diǎn)。

圖1為本實(shí)用新型所用的微結(jié)構(gòu)光纖橫截面示意圖；圖2為本實(shí)用新型微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為采用被動(dòng)式方案進(jìn)行氣體檢測(cè)的系統(tǒng)示意圖；圖4為采用主動(dòng)式方案進(jìn)行氣體檢測(cè)的系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。微結(jié)構(gòu)光纖根據(jù)導(dǎo)光機(jī)理的不同，分為全反射型和光子帶隙型兩種。由于結(jié)構(gòu)的不同，光波倏逝場(chǎng)在孔內(nèi)的能量分布也不一樣。一般的，全反射型光纖光子晶體孔內(nèi)的倏逝場(chǎng)能量大約占總能量的10% 40%。為了實(shí)現(xiàn)光柵的刻寫(xiě)，并保證孔內(nèi)有很強(qiáng)的倏逝場(chǎng)，選擇類似圖1所示的全反射型微結(jié)構(gòu)光纖作為氣室。這種光纖結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的倏逝場(chǎng)，能提高檢測(cè)的靈敏度。如圖2所示，在單模光纖1和微結(jié)構(gòu)光纖3上分別制作兩個(gè)布拉格光柵2和4，對(duì)應(yīng)的反射波長(zhǎng)分別為和且光柵4的長(zhǎng)度為“，在^附近待測(cè)氣體沒(méi)有明顯的吸收峰，此波長(zhǎng)反射回來(lái)的信號(hào)用作參考信號(hào)。As覆蓋待測(cè)氣體的某一吸收峰，用于探測(cè)氣體的吸收。然后將微結(jié)構(gòu)光纖3和單模光纖1熔接，控制熔接點(diǎn)到光柵4的距離SL1,這樣總的氣
室長(zhǎng)度為L(zhǎng)= L1+ L2/2,到此傳感器部分的制作就完成了。在微結(jié)構(gòu)光纖上刻寫(xiě)布拉格光柵后，可利用光柵的波長(zhǎng)選擇性并結(jié)合氣體吸收特征譜線，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體的濃度檢測(cè)。根據(jù)比爾朗伯吸收定律和倏逝波傳感的特點(diǎn)，從該微
結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵反射的信號(hào)強(qiáng)度“可以表示如下Ir = RI0exp[-2rci(A)CLJ，⑴這里k是探測(cè)光源信號(hào)，R是微結(jié)構(gòu)光纖光柵的反射率，r是倏逝波的相對(duì)靈敏系
數(shù)，《0)是氣體在波長(zhǎng)λ處的吸收系數(shù)，C是氣體的濃度，L是氣室的長(zhǎng)度。其中r與傳導(dǎo)
模式有效折射率，孔內(nèi)物質(zhì)折射率有關(guān)，并與孔內(nèi)倏逝場(chǎng)能量比重成正比。當(dāng)光柵的諧振波長(zhǎng)與氣體吸收峰一致時(shí)，反射信號(hào)就會(huì)由于氣體吸收而減弱。若
將反射信號(hào)利用分貝形式進(jìn)行歸一化處理，即A = —lOlogth/RI。，則氣體吸收可以表示為A(cffi) = 8.7ra(A)CL，⑵從以上公式可以看出，通過(guò)分析反射信號(hào)的強(qiáng)度衰減情況，就可以得到待測(cè)氣體的濃度信息。由于氣體吸收譜線的特異性和光柵的波長(zhǎng)選擇作用，這種檢測(cè)方法從原理上就避免了其他氣體的干擾，體現(xiàn)出了特異性選擇的優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)以上原理，本實(shí)用新型中傳感器制作過(guò)程包括以下步驟1.在普通單模光纖上制作波長(zhǎng)為^的布拉格光柵，且在所制作的反射波長(zhǎng)附近
氣體沒(méi)有明顯的吸收峰。此光柵的反射信號(hào)強(qiáng)度當(dāng)作參考信號(hào)，用于消除測(cè)量時(shí)光纖傳輸和耦合的損耗以及光源功率波動(dòng)所帶來(lái)的誤差。[0029]2.在(光熱)微結(jié)構(gòu)光纖上制作特定周期的布拉格光柵，控制其諧振波長(zhǎng)覆蓋
氣體某一明顯的吸收峰。此光柵的反射信號(hào)用于探測(cè)氣體濃度。3.將制作有光柵的微結(jié)構(gòu)光纖和普通單模光纖熔接在一起，組成氣體傳感器。本實(shí)用新型還提出了兩種傳感方案被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。將如圖2所示的傳感器與環(huán)形器6的2端口通過(guò)跳線連接，環(huán)形器6的1端口和3端口分別與一個(gè)寬帶光源5和光譜儀7相連。通過(guò)分析記錄下的參考光柵和探測(cè)光柵的反射信號(hào)功率，就可以得到氣體吸收的光功率，再根據(jù)已知的參數(shù)，利用公式(2)就可以分析出所探測(cè)氣體的濃度。主動(dòng)式測(cè)量方案如圖4所示。此時(shí)，圖2中的布拉格光柵4是在芯層摻鈷等元素的光熱微結(jié)構(gòu)光纖制成的。同樣將制備好的傳感器與環(huán)形器6的2端口通過(guò)跳線連接，環(huán)形器的1端口和3端口分別與耦合器8和光譜儀7相連，耦合器8又分別連接了一個(gè)激光泵浦源9和一個(gè)寬帶光源5。激光泵浦源9的波長(zhǎng)不在寬帶光源5的光譜范圍內(nèi)。這樣通過(guò)調(diào)節(jié)激光泵浦源9的輸出功率，就可以利用光熱微結(jié)構(gòu)光纖的吸收光功率轉(zhuǎn)化為熱量的
效應(yīng)，改變光柵區(qū)的溫度，從而調(diào)節(jié)光柵4的波長(zhǎng)，使其在氣體吸收峰λσ左右震蕩。通過(guò)分
析記錄下的反射信號(hào)功率，就能得到I = ^時(shí)，氣體吸收的光功率。最后根據(jù)已知的參數(shù)， 利用公式(2)就可以分析出所探測(cè)氣體的濃度。主動(dòng)式測(cè)量方案的原理如下由于光柵的周期和有效折射率都受溫度影響，所以當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，反射波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生漂移
權(quán)利要求1.一種微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器，包括一段單模光纖和一段微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于單模光纖的一端與微結(jié)構(gòu)光纖的一端光連接，單模光纖的另一端作為傳感器的輸入/ 輸出端；所述的單模光纖的纖芯上有一段波長(zhǎng)為\的布拉格光柵，微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯上有一段波長(zhǎng)為 Aj勺布拉格光柵；所述的4波長(zhǎng)遠(yuǎn)離待測(cè)氣體吸收峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，所述的A3波長(zhǎng)覆蓋待測(cè)氣體吸收峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。
2.一種氣體濃度檢測(cè)裝置，包括如權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器、光環(huán)形器、寬帶光源和光譜儀，其特征在于光環(huán)形器的1端口與寬帶光源的輸出口光連接，光環(huán)形器的3端口與光譜儀的輸入口光連接，光環(huán)形器的2端口與微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器的輸入/輸出端。
3.一種氣體濃度檢測(cè)裝置，包括如權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器、光環(huán)形器、耦合器、光譜儀、激光泵浦光源和寬帶光源，其特征在于激光泵浦光源的輸出口與耦合器的一個(gè)輸入端口光連接，寬帶光源的輸出口與耦合器的另一個(gè)輸入端口光連接，耦合器的輸出口與光環(huán)形器的1端口光連接，光譜儀的輸入口與光環(huán)形器的3端口光連接，微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器的輸入/輸出端與光環(huán)形器的2端口光連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵氣體傳感器及其檢測(cè)裝置。傳統(tǒng)的傳感方案都是基于透射譜的分析，對(duì)檢測(cè)的氣體沒(méi)有特異性的選擇，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。本實(shí)用新型中的氣體傳感器由一段單模光纖和一段微結(jié)構(gòu)光纖組成，其上分別刻蝕有布拉格光柵，利用該傳感器進(jìn)行檢測(cè)的裝置包括光環(huán)形器、寬帶光源和光譜儀，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)光環(huán)形器輸入至傳感器，由傳感器反射后進(jìn)入光譜儀進(jìn)行分析，這樣就可以得到待檢氣體的濃度。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、對(duì)氣體識(shí)別具有特異性、抗干擾性好、適宜復(fù)雜條件、適用于遠(yuǎn)程分布式傳感等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK202141672SQ201120126220
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者嚴(yán)國(guó)鋒, 張阿平, 馬桂英 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)