本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種微納光纖邁克爾遜干涉式氫氣傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有技術(shù)中，傳感器包括干涉型氫氣傳感器和光柵型氫氣傳感器兩種傳感器，其中，在干涉性氫氣傳感器的制備過(guò)程中，首先需要制備光纖干涉式結(jié)構(gòu)(馬赫曾德或法布里珀羅)，然后在光纖干涉結(jié)構(gòu)上鍍鈀或其他材料的氫氣敏感膜，氫氣敏感膜在接觸氫氣時(shí)會(huì)發(fā)生形變，導(dǎo)致干涉結(jié)構(gòu)的形變，進(jìn)而引起光譜變化，以此為基礎(chǔ)可進(jìn)行氫氣濃度傳感。但是該方法的缺點(diǎn)在于難以精確控制干涉儀長(zhǎng)度，且在光纖干涉儀內(nèi)鍍膜厚度不可控，加工重復(fù)性差。

而在光柵型氫氣傳感器的制備過(guò)程中，首先制備光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)，然后在光柵部分鍍鈀或其他材料的氫氣敏感膜，氫氣敏感膜在接觸氫氣時(shí)會(huì)發(fā)生形變，導(dǎo)致光柵周期形變，進(jìn)而引起光柵光譜變化，以此為基礎(chǔ)可進(jìn)行氫氣濃度傳感。該方法的缺點(diǎn)在于鍍膜后的布拉格光柵相對(duì)形變低，難以標(biāo)定，基于微納光纖布拉格光柵的制備成功率極低，加工重復(fù)性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種微納光纖邁克爾遜干涉式氫氣傳感器及其制備方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)制備的傳感器加工重復(fù)性差的問(wèn)題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種微納光纖邁克爾遜干涉式氫氣傳感器，包括寬帶光源單元、耦合單元、傳感光路、參考光路和解調(diào)單元；其中，所述傳感光路與所述參考光路的光路長(zhǎng)度不同，并且所述傳感光路中包含有與氫氣接觸時(shí)可發(fā)生形變的對(duì)氫敏感部；

所述寬帶光源單元，與所述耦合單元相連接，用于產(chǎn)生預(yù)置寬度的寬帶光，并將所述寬帶光發(fā)送給所述耦合單元；

所述耦合單元，分別與所述傳感光路、所述參考光路和所述解調(diào)單元相連接，用于對(duì)所述寬帶光進(jìn)行分束，將分束得到傳感檢測(cè)光發(fā)送給所述傳感光路，及將分束得到的參考光發(fā)送給所述參考光路；

所述傳感光路，用于為所述傳感檢測(cè)光提供第一傳輸光路，并在所述第一傳輸光路的末端將所述傳感檢測(cè)光進(jìn)行反射得到傳感檢測(cè)反射光，并使得傳感檢測(cè)反射光再由所述第一傳輸光路返回至所述耦合單元；

所述參考光路，用于為所述參考光提供第二傳輸光路，并在所述第二傳輸光路的末端將所述參考光進(jìn)行反射得到參考反射光，并使得參考反射光再由所述第二傳輸光路返回至所述耦合單元；

所述耦合單元，還用于對(duì)所述傳感檢測(cè)反射光和所述參考反射光進(jìn)行合束形成干涉光，將合束得到的干涉光發(fā)送給所述解調(diào)單元；

所述解調(diào)單元，用于對(duì)所述干涉光進(jìn)行檢測(cè)與解調(diào)，得到干涉光譜。

進(jìn)一步地，所述耦合單元為3db耦合器。

進(jìn)一步地，所述傳感光路包括邁克爾遜傳感臂和第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；

所述邁克爾遜傳感臂，分別與所述耦合單元和所述第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡相連接，用于將所述耦合單元傳輸?shù)膫鞲袡z測(cè)光傳輸給所述第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；所述對(duì)氫敏感部位于所述邁克爾遜傳感臂上；

所述第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，用于對(duì)所述傳感檢測(cè)光進(jìn)行反射，將反射得到的傳感檢測(cè)反射光通過(guò)所述邁克爾遜傳感臂傳輸至所述耦合單元。

進(jìn)一步地，所述參考光路包括參考臂和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；

所述參考臂，分別與所述耦合單元和所述第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡相連接，用于將所述耦合單元傳輸?shù)膮⒖脊廪D(zhuǎn)發(fā)給所述第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；

所述第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，用于對(duì)所述參考光進(jìn)行反射，將反射得到的參考反射光通過(guò)所述參考臂傳輸至所述耦合單元。

進(jìn)一步地，所述邁克爾遜傳感臂為預(yù)置長(zhǎng)度的微納光纖；所述微納光纖的外表面鍍有預(yù)置厚度的氫氣敏感薄膜形成的所述對(duì)氫敏感部。

進(jìn)一步地，所述氫氣敏感薄膜為鈀膜，所述鈀膜的厚度小于20納米。

進(jìn)一步地，所述微納光纖封裝于一氟化鎂基片上。

進(jìn)一步地，所述參考臂為預(yù)置長(zhǎng)度的單模光纖。

本發(fā)明還提供了一種微納光纖邁克爾遜干涉式氫氣傳感器的制備方法，包括：

采用預(yù)置光纖拉錐方法制備出直徑小于10微米的微納光纖，以所述微納光纖作為傳感臂；

在耦合器的第一端連接寬帶光源單元，在所述耦合器的第四端連接光譜儀，在所述耦合器的第二端連接所述微納光纖的第一端，在所述耦合器的第三端連接作為參考臂的單模光纖的第一端，在所述微納光纖的第二端連接第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，在所述參考臂的第二端連接第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；

在所述微納光纖鍍預(yù)置厚度的氫氣敏感薄膜。

進(jìn)一步地，所述氫氣敏感薄膜的厚度小于20納米，所述氫氣敏感薄膜為鈀膜。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明實(shí)施例提供的傳感器及其被指方法，與傳統(tǒng)的干涉型氫氣傳感器相比，本發(fā)明實(shí)施例無(wú)需制備精密的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)而選用參數(shù)可控且易制備的微納光纖結(jié)構(gòu)替代，具有制備簡(jiǎn)單和加工重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，與光柵型氫氣傳感器相比，本實(shí)施例提供的干涉式氫氣傳感器的靈敏度更高，與基于微納光纖光柵的傳感器相比，本發(fā)明實(shí)施例只需在微納光纖表面鍍均勻的氫氣敏感薄膜，與微納光纖光柵相比顯著提高了微納光纖加工的成功率，且易于重復(fù)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種微納光纖邁克爾遜干涉式氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的傳感臂的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種微納光纖邁克爾遜干涉式氫氣傳感器的制備方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種微納光纖邁克爾遜干涉式氫氣傳感器，包括寬帶光源單元1、耦合單元2、傳感光路3、參考光路5和解調(diào)單元4；其中，傳感光路3與參考光路5的光路長(zhǎng)度不同，并且傳感光路3中包含有與氫氣接觸時(shí)可發(fā)生形變的對(duì)氫敏感部；

寬帶光源單元1，與耦合單元2相連接，用于產(chǎn)生預(yù)置寬度的寬帶光，并將所述寬帶光發(fā)送給耦合單元2；

耦合單元2，分別與傳感光路3、參考光路5和解調(diào)單元4相連接，用于對(duì)所述寬帶光進(jìn)行分束，將分束得到傳感檢測(cè)光發(fā)送給傳感光路3，及將分束得到的參考光發(fā)送給參考光路5；

傳感光路3，用于為所述傳感檢測(cè)光提供第一傳輸光路，并在所述第一傳輸光路的末端將所述傳感檢測(cè)光進(jìn)行反射得到傳感檢測(cè)反射光，并使得傳感檢測(cè)反射光再由所述第一傳輸光路返回至耦合單元2；

參考光路5，用于為所述參考光提供第二傳輸光路，并在所述第二傳輸光路的末端將所述參考光進(jìn)行反射得到參考反射光，并使得參考反射光再由所述第二傳輸光路返回至耦合單元2；

耦合單元2，還用于對(duì)所述傳感檢測(cè)反射光和所述參考反射光進(jìn)行合束形成干涉光，將合束得到的干涉光發(fā)送給解調(diào)單元4；

解調(diào)單元4，用于對(duì)所述干涉光進(jìn)行檢測(cè)與解調(diào)，得到干涉光譜。

進(jìn)一步地，傳感光路3包括邁克爾遜傳感臂31和第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡32；邁克爾遜傳感臂31，分別與耦合單元2和第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡32相連接，用于將耦合單元2傳輸?shù)膫鞲袡z測(cè)光傳輸給第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡32，所述對(duì)氫敏感部位于所述邁克爾遜傳感臂上；第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡32，用于對(duì)所述傳感檢測(cè)光進(jìn)行反射，將反射得到的傳感檢測(cè)反射光通過(guò)邁克爾遜傳感臂31傳輸至耦合單元2。

參考光路5包括參考臂51和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡52；參考臂51，分別與耦合單元2和第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡52相連接，用于將耦合單元2傳輸?shù)膮⒖脊廪D(zhuǎn)發(fā)給第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡52；第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡52，用于對(duì)所述參考光進(jìn)行反射，將反射得到的參考反射光通過(guò)參考臂51傳輸至耦合單元2。

具體地，耦合單元2為3db耦合器。

圖2示出了發(fā)明實(shí)施例提供的邁克爾遜傳感臂，該邁克爾遜傳感臂為預(yù)置長(zhǎng)度微納光纖6，該微納光纖6的外表面鍍有預(yù)置厚度的氫氣敏感薄膜7，該氫氣敏感薄膜7形成對(duì)氫敏感部。具體地，該氫氣敏感薄膜7為鈀膜，該鈀膜的厚度小于20納米。

在具體應(yīng)用中，在寬帶光源單元1中發(fā)出的寬帶光經(jīng)3db耦合器2后分別進(jìn)入傳感臂和參考臂，并于兩臂末端的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡發(fā)生反射。由于兩臂長(zhǎng)度差導(dǎo)致反射光產(chǎn)生光程差，形成干涉。干涉光經(jīng)3db耦合器返回光譜儀4中，觀(guān)測(cè)到干涉光譜。其中，反射光的光程差完全取決于邁克爾遜雙臂的長(zhǎng)度差。在傳感臂的微納光纖結(jié)構(gòu)表面均勻鍍鈀，當(dāng)鈀膜與氫氣接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉伸形變，引起光程差的變化，在光譜儀4中可以標(biāo)定此變化。因此該結(jié)構(gòu)可以作為光纖氫氣濃度傳感器使用。

圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種微納光纖邁克爾遜干涉式氫氣傳感器的制備方法，包括：

s301，采用預(yù)置光纖拉錐方法制備出直徑小于10微米的微納光纖，以所述微納光纖作為傳感臂；

s302，在耦合器的第一端連接寬帶光源單元1，在所述耦合器的第四端連接光譜儀，在所述耦合器的第二端連接所述微納光纖的第一端，在所述耦合器的第三端連接作為參考臂的單模光纖的第一端，在所述微納光纖的第二端連接第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，在所述參考臂的第二端連接第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；

s303，在所述微納光纖鍍預(yù)置厚度的氫氣敏感薄膜。

在具體應(yīng)用中，本發(fā)明提供的上述實(shí)施例具體包括：

1、采用光纖拉錐方法制備出直徑小于10微米的微納光纖，用作干涉儀的傳感光路3。

2、3db耦合器的左側(cè)兩端口分別與寬帶光源和光譜儀連接，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器光譜；3db耦合器的右側(cè)兩端口分別與特定長(zhǎng)度的單模光纖和微納光纖連接，用于構(gòu)建光纖干涉系統(tǒng)的參考光路5和傳感光路3；單模光纖和微納光纖的末端分別與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡連接，用于獲得穩(wěn)定且高消光比的干涉光譜。

3、在微納光纖表面鍍厚度小于20納米的鈀或其他材料的氫氣敏感薄膜。

4、將鍍膜后的微納光纖固定在氟化鎂基片表面，該結(jié)構(gòu)即可作為探針型光纖氫氣濃度傳感器使用。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種微納光纖邁克爾遜干涉式氫氣傳感器，和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有制備簡(jiǎn)單，加工重復(fù)性好，靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明實(shí)施例的突出優(yōu)勢(shì)是以邁克爾遜雙臂作為傳感結(jié)構(gòu)，替代了以往復(fù)雜的光纖干涉儀制備過(guò)程，只需簡(jiǎn)單的拉錐、鍍膜和封裝即可得到一個(gè)高性能的光纖探針式氫氣傳感器。

本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)對(duì)光纖進(jìn)行拉錐獲得直徑小于10微米的微納光纖。并在微納光纖表面鍍厚度小于20納米的鈀或其他氫氣敏感材料的薄膜。3db耦合器的左側(cè)兩端口分別與寬帶光源和光譜儀連接，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器光譜；3db耦合器的右側(cè)兩端口分別與特定長(zhǎng)度的單模光纖和微納光纖連接，用于構(gòu)建光纖干涉系統(tǒng)的參考光路5和傳感光路3；單模光纖和微納光纖的末端分別與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡連接，用于獲得穩(wěn)定且高消光比的干涉光譜。將鍍膜后的微納光纖固定在氟化鎂基片表面實(shí)現(xiàn)傳感光路封裝。

本發(fā)明實(shí)施例可以作為光纖氫氣傳感器的核心結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造等重要領(lǐng)域，是一種價(jià)格廉價(jià)、制備簡(jiǎn)單、加工重復(fù)性好、靈敏度高且使用靈活的探針型光纖氫氣傳感器。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。