基于空芯光子晶體光纖的反射式氣體傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于空巧光子晶體光纖的反射式氣體傳感系統(tǒng)，屬于微型光電子器件
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾十年來，伴隨著工業(yè)的發(fā)展，排放的大量有毒有害甚至易燃易爆氣體嚴(yán)重 污染了人類的生存環(huán)境[文獻(xiàn) 1.G.Schurmann,K.Schafer,C.J址n,etal.The impactofNO,,COandVOCemissionsontheairqualityofZurichairport[J]. AtmosphericElnvironment, 2007, 41(1): 103-118.]。而對(duì)某些有毒有害氣體，必須要求 能檢測(cè)到非常低的濃度。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)痕量氣體高準(zhǔn)確度、高靈敏度的檢測(cè)具有非常重大的 意義[文獻(xiàn)2.LMelo,G.Burton,B.Davies,etal.Highlysensitivecoatedlong periodgratingsensorforCOgdetectionatatmosphericpressure[J].Sensorsand ActuatorsB:Qiemical, 2014, 202: 294-300.]。光纖氣體傳感器具有抗電磁干擾、耐腐 蝕、安全防爆、自身獨(dú)立性好、易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)蕊@著優(yōu)勢(shì)，在氣體檢測(cè)方面得到了良好 的應(yīng)用，但傳統(tǒng)光纖氣體傳感器的檢測(cè)靈敏度受到氣室有效吸收長(zhǎng)度的限制，極大地限制 了其進(jìn)一步的發(fā)展。
[0003] 空巧光子晶體光纖的包層是由一系列周期性排列的空氣孔所形成的光子晶體結(jié) 構(gòu)組成的，由于光子晶體的禁帶特性，將特定頻率的光局域在纖巧中傳播[文獻(xiàn)3.T.P. Hansen,J.Broeng,C.Jakobsen,etal.Air-guidingphotonicbandgapfibers: spectralproperties,macrobendingloss,andpracticalhandling[J].Journalof Li曲twaveTechnology, 2004. 22(1): 11-15.]。利用空巧光子晶體光纖優(yōu)異的光學(xué)特 性和獨(dú)特的空氣纖巧結(jié)構(gòu)，將其作為氣體檢測(cè)用的氣室時(shí)，不需要借助光學(xué)準(zhǔn)直器或高反 射鏡等光學(xué)等器件，不僅有助于降低光路噪聲，同時(shí)具有體積小、重量輕、易纏繞和易延長(zhǎng) 氣體有效吸收路徑等顯著優(yōu)點(diǎn)，為設(shè)計(jì)小型化，高靈敏度，遠(yuǎn)距離檢測(cè)的氣體傳感器提供 了新的思路[文獻(xiàn) 4.H.Ding,X.Li,J.Qii,etal.AnaU-fibergassensing systemusinghollow-corephotonicbandgapfiberasgascell[J].Instrumentation Science&Technology, 2011，39(1) :78-87.]。但是，考慮到實(shí)際應(yīng)用，將空巧光子晶體 光纖連入光纖傳感系統(tǒng)需要將其與普通光纖進(jìn)行禪合連接，如果采用傳統(tǒng)的烙接技術(shù)連接 空巧光子晶體光纖與普通光纖，待測(cè)氣體將無法進(jìn)入纖巧內(nèi)部，雖然利用激光打孔技術(shù)在 光子晶體光纖包層上打孔，使待測(cè)氣體流入纖巧中，但該同時(shí)會(huì)導(dǎo)致光泄露、增加光的傳輸 損耗，如果采用機(jī)械對(duì)準(zhǔn)的方法實(shí)現(xiàn)空巧光子晶體光纖與普通光纖兩者間的禪合，由于兩 者之間會(huì)留有空隙，可W在實(shí)現(xiàn)禪合的同時(shí)，方便待測(cè)氣體流入纖巧中，但該方法對(duì)機(jī)械結(jié) 構(gòu)的穩(wěn)定性W及位置的精確度要求很高，必須要設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，W實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性 能穩(wěn)定、氣體填充時(shí)間短、禪合效率高的空巧光子晶體光纖測(cè)量氣室。此外，目前基于空巧 光子晶體光纖的氣體傳感探頭均是透射式的，即光源發(fā)出的光從空巧光子晶體光纖的一端 進(jìn)入，在空巧光子晶體光纖內(nèi)與待測(cè)氣體接觸作用后，再?gòu)牧硪欢送干涑鋈ミM(jìn)入信號(hào)解調(diào) 單元，該種方法的缺點(diǎn)是入射光路和出射光路需要兩根光纖，該在實(shí)際測(cè)量中，不僅會(huì)增加 光纖的成本，而且不利用光信號(hào)的遠(yuǎn)傳與控制。
[0004] 基于此，本發(fā)明提出基于空巧光子晶體光纖的反射式氣體傳感系統(tǒng)，該探頭集光 纖禪合、氣體填充、機(jī)械固定于一體，具有微型化、高禪合效率、快速填充、長(zhǎng)吸收光程長(zhǎng)、穩(wěn) 定性高、可盤繞、可彎曲等優(yōu)異特性，此外，其獨(dú)特的反射結(jié)構(gòu)使光在空巧光子晶體光纖氣 室中可W往返傳播一次，進(jìn)一步增大了光與氣體之間的有效作用距離，靈敏度更高，且易于 實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的探頭，入射光與反射光共用一根光纖傳輸，極大地方便了光信號(hào)的遠(yuǎn)傳，為基于 空巧光子晶體光纖氣體傳感器的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提供了一種切實(shí)可行的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一）要解決的技術(shù)問題 本發(fā)明的主要目的在于解決空巧光子晶體光纖用于氣體傳感時(shí)存在的關(guān)鍵問題，提出 一種具有高禪合效率、快速氣體填充、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)吸收光程的反射式氣體傳感探頭。
[0006] 仁）技術(shù)方案 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出基于空巧光子晶體光纖的反射式氣體傳感系統(tǒng)，其特征 在于，從光源1發(fā)出的光信號(hào)首先進(jìn)入環(huán)形器2的端口A，再?gòu)沫h(huán)形器2的端口B輸出進(jìn)入 氣體測(cè)量的傳感探頭3,該傳感探頭由單模光纖31、空巧光子晶體光纖32、多模光纖33、高 反射鏡34、保護(hù)玻璃35、有機(jī)玻璃箱36、有機(jī)玻璃箱37組成，其中，單模光纖31與空巧光 子晶體光纖32之間的間距為20ym，兩者的連接處位于密封的有機(jī)玻璃箱36內(nèi)，空巧光子 晶體光纖32與多模光纖33之間的間距為50ym，兩者的連接處位于密封的有機(jī)玻璃箱37 內(nèi)，多模光纖33與高反射鏡34直接烙融連接，高反射鏡34周圍用保護(hù)玻璃35包裹起來， 起到保護(hù)和防污染的作用，該樣，當(dāng)光信號(hào)分別經(jīng)由單模光纖31、空巧光子晶體光纖32、多 模光纖33后，將在多模光纖33尾端的高反射鏡34處產(chǎn)生反射，反射率大于97%，而反射回 來的信號(hào)又經(jīng)多模光纖33、空巧光子晶體光纖32、單模光纖31后回入環(huán)形器2的端口B， 之后由環(huán)形器2的端口C輸出，最后，該個(gè)信號(hào)將進(jìn)入后續(xù)的光譜解調(diào)單元4進(jìn)行數(shù)據(jù)的處 理，W推算出空巧光子晶體光纖32內(nèi)的待測(cè)氣體濃度。
[0007] 上述方案中，所述的有機(jī)玻璃箱36和有機(jī)玻璃箱37均用螺絲固定在一個(gè)光學(xué)平 臺(tái)5上，該樣不僅可W起到固定傳感探頭的作用，而且可W根據(jù)需要，隨時(shí)方便地移動(dòng)整個(gè) 傳感探頭。
[000引上述方案中，所述的單模光纖31與空巧光子晶體光纖32的連接端口分別配有裸 纖適配器6和裸纖適配器7,通過陶瓷纖巧8將兩個(gè)裸纖適配器連接起來，陶瓷纖巧的側(cè)面 開有0. 5mm的縫隙，兩個(gè)裸纖適配器的主體部分用中間開槽的有機(jī)玻璃9夾持，并用螺絲固 定。
[0009] 上述方案中，所述的多模光纖33與空巧光子晶體光纖32的連接端口分別配有裸 纖適配器10和裸纖適配器11，通過陶瓷纖巧12將兩個(gè)裸纖適配器連接起來，陶瓷纖巧的側(cè) 面開有0. 5mm的縫隙，兩個(gè)裸纖適配器的主體部用中間開槽的有機(jī)玻璃9夾持，并用螺絲固 定。
[0010] 上述方案中，所述的有機(jī)玻璃箱36和有機(jī)玻璃箱37的底部通過一個(gè)V型槽13連 接，V型槽13的開口寬度為125ym，可將單模光纖31、空巧光子晶體光纖32、多模光纖33 嵌入在該V型槽內(nèi)，W防止光纖的彎曲、折斷、或隨外界的震動(dòng)而擺動(dòng)。
[0011]上述方案中，所述的有機(jī)玻璃箱36和有機(jī)玻璃箱37的頂端均連接一個(gè)外徑為 8mm、內(nèi)徑為5mm的有機(jī)玻璃管，與有機(jī)玻璃箱36相連的有機(jī)玻璃管14用作出氣口，與有機(jī) 玻璃箱37相連的有機(jī)玻璃管15用作進(jìn)氣口。
[001引 （S)有益效果 從上述技術(shù)方案可W看出，本發(fā)明具有W下有益效果： 1) 本發(fā)明提出的基于空巧光子晶體光纖的反射式氣體傳感系統(tǒng)，將光子晶體光纖作 為氣室實(shí)現(xiàn)全光纖式氣體測(cè)量，氣室長(zhǎng)度將不受光纖準(zhǔn)直工藝的限制，可極大地提高光與 氣體的有效作用距離，進(jìn)而可提高氣體測(cè)量的靈敏度； 2) 本發(fā)明提出的基于空巧光子晶體光纖的反射式氣體傳感系統(tǒng)，其傳感探頭集光纖 禪合、氣體填充、機(jī)械固定于一體，具有微型化、高禪合效率、快速填充、長(zhǎng)吸收光程長(zhǎng)、穩(wěn)定 性高、可盤繞、可彎曲等優(yōu)異特性； 3) 本發(fā)