空芯光子晶體光纖氣體傳感器的製作方法
2023-12-09 03:50:16 1
專利名稱：空芯光子晶體光纖氣體傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖氣體傳感器，具體是一種基於空芯光子晶體光纖的高靈敏度、響應速度快、量程大的空芯光子晶體光纖氣體傳感器。
背景技術：
光纖氣體傳感器是80年代後期出現的一種新型傳感器。經過二十多年的發展，它已應用在社會生活的許多方面工業氣體在線監測、有害氣體分析、環境空氣品質監測和爆炸氣體檢測以及對火山噴發氣體的分析。工業上的需要和人們對環境的關注使得光纖氣體傳感器的發展非常迅速。光纖氣體傳感器發展迅速是因為它有著傳統傳感器不可比擬的優勢(1).非接觸式遙測能力。光纖傳輸損耗小，可允許光信息進行長距離傳輸，從而能在遠距離的安全地帶進行遙控遙測。
(2).測量的安全性。光纖電絕緣性好、不受電磁幹擾、化學性質穩定，適合在強電磁幹擾和易燃、易爆、高溫等惡劣環境下測量，這是光纖傳感器優於電類氣體傳感器的重要特點。
(3).傳感單元結構簡單、穩定可靠。
(4).易於組成光纖傳感網絡。光纖的頻帶寬，能同時傳輸大容量的信息。採用多路復用技術，使多個光纖傳感器共用同一根光纖、同一光源和同一信號檢測設備，可形成多成分測量儀並降低了成本。
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結構、濃度和能量分布差異產生的不同進行檢測，從而具有了選擇性、鑑別性和氣體含量的唯一確定性等特點。如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體的吸收線，則光通過待測氣體時會就發生衰減，輸出光強I、輸入光強I0和氣體的濃度C之間關係滿足比爾-朗伯定理，即I＝I0exp[-αLC] (1)式中α為一定波長下單位濃度、單位長度的介質吸收係數；L為吸收路徑的長度；C為氣體濃度。上式可轉化為c=-1LlnII0---(2)]]>由此可知，在波長λ一定的情況下，若氣體的吸收係數α已知，則氣體濃度c可以從λ光的輸入輸出光強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。
現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過輸入透鏡準直變為平行光，然後通過通有氣體的氣室，再經過聚焦輸出透鏡耦合到光纖。因為光路不可能絕對準直，光纖的數值孔徑有一定的範圍，光信號在這裡要損失一部分；另外，有時為提高有效光程，甚至還得經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，因此使得系統裝置比較複雜，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。
針對現有光纖氣體傳感器採用氣室所存在的問題出現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採用納米級微孔結構光纖的氣體濃度傳感器，設有至少1隻發光二極體，發光二極體發出的光路上設有自聚焦透鏡、在自聚焦透鏡前分別設有玻璃光纖和納米光纖，一路光經過透鏡進入玻璃光纖，另一路光經透鏡進入納米光纖，兩光纖的另一端分別接光電探測器，在光電探測器前設有光濾波片，光電探測器輸出端經鎖相放大器外接氣體濃度監測電路。其中採用的納米光纖是一種內部布滿納米級的連通或部分連通微孔的光纖。該項專利從一定程度上解決了現有光纖氣體傳感器所存在的問題，但是由於該結構的氣體濃度傳感器仍採用透鏡進行光信號耦合，因此仍存在耦合損耗的問題。
發明內容
本發明為了解決現有光纖氣體傳感器存在系統裝置比較複雜、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。
本發明是採用如下技術方案實現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光氣室光路和採用普通光纖的參考光路、及設置於導光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極體、鎖相放大器的用於為外部氣體濃度監測電路提供信號的信號轉換部分，導光氣室採用其上開有微米級大小透氣微孔的空芯光子晶體光纖。光源發出的光經過普通光纖後，通過光分路器(1∶1)，一束光進入其內充滿待測氣體的空芯光子晶體光纖，並與空芯光子晶體光纖內的氣體相互作用；另一束光作為參考光直接進入普通光纖，然後攜帶有濃度信息的光信號和參考光信號分別傳輸到光電二極體處並轉換成電信號，送入鎖相放大器進行線性處理、功率放大，經功放處理後的電壓信號最終傳輸至外部氣體濃度監測電路處理，即可得到氣體的濃度信息。所述的外部氣體濃度監測電路是現有公知技術，本領域的技術人員很容易實現，因此在說明書中未作詳細說明。光子晶體光纖又稱多孔光纖或微結構光纖，是由在纖芯周圍沿著軸向規則排列微小空氣孔構成，通過這些微小空氣孔對光的約束，實現光的傳導。它分實芯和空芯光纖。所謂空芯光纖(即空芯光子晶體光纖)是將石英玻璃毛細管以周期性規律排列在石英玻璃管周圍的光纖。因為只有很少一部分光在矽材料中傳輸，所以相對於常規光纖來說，材料的非線性效應明顯降低，損耗也大為減少。據預測，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。與現有技術相比，本發明採用在空芯光子晶體光纖上加工一些微米級大小使光纖內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入氣室(即空芯光子晶體光纖內的石英玻璃管內)，為測量氣體濃度提供必要條件。
本發明採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傳統氣室，由於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，又由於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速度，同時具有整個裝置體積小、質量輕、結構靈活簡單、穩定可靠，更適用於現場氣體監控等很多令人矚目的優點。
圖1為現有光纖氣體傳感器的氣室結構示意圖；圖2為本發明經過微孔加工後的空芯光子晶體光纖氣室的結構示意圖；圖3為空芯光子晶體光纖氣體傳感器系統裝置圖；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-鋁製氣室；7-輸入透鏡；8-輸出透鏡；9-光源；10-光分路器；11-光電二極體；12-鎖相放大器；13-光開關；14-光譜儀；15-外部氣體濃度監測電路。
具體實施例方式
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連接的導光氣室光路和採用普通光纖1的參考光路、及設置於導光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極體11、鎖相放大器12的用於為外部氣體濃度監測電路15提供信號的信號轉換部分，導光氣室採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。
所述導光氣室光路進光端設置有光開關13，光分路器10可通過光開關13連接多路其上開有透氣微孔3的空芯光子晶體光纖2，通過控制光開關可以實現對多處地點的氣體濃度測量；所述的光源9採用分布反饋式半導體雷射器；分布反饋式半導體雷射器(DFB LD)是一種內含介質光柵結構，能夠在更寬的工作溫度和工作電流範圍內抑制在普通半導體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。DFB LD作為光源的氣體傳感技術在靈敏度、選擇性、動態範圍、信噪比和響應時間等方面比傳統方法具有諸多優點。
具體實施時，可以通過飛秒超短脈衝雷射微孔加工的方法，在空芯光子晶體光纖2上加工一些微米級大小使光纖內的石英玻璃管與外界相通的透氣微孔3，由於雷射具有良好的聚焦特性，能使光束斑點會聚到波長量級，在很小的區域內集中很高的能量。而且飛秒超短脈衝雷射的脈衝持續時間短，能將脈衝能量集中在幾個至幾百個飛秒的極短時間內，其損傷閾值是精確值。將雷射的能量控制在正好等於或略高於損傷閾值，則只有高於損傷閾值的部分產生燒蝕，熱影響區小，因此可在空芯光子晶體光纖上進行低於衍射極限的亞微米加工；另外，為了防止環境中塵土對空芯光子晶體光纖的影響，可以採用防塵透氣罩5把光纖保護起來。
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，因此所述導光氣室光路和參考光路的出光端設置有光譜儀14，用以對幹擾光譜進行濾除。
由於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際需要來確定所選器件的型號和測量範圍，以下器件僅做參考1.光分路器採用深圳市訊達康通訊設備有限公司生產的產品編號為7889-16577的光分路器；2.光開關採用桂林光隆光電科技有限公司生產的產品編號為SUN-FSW-MXN的光開關；3.光電二極體採用海特光電有限責任公司生產的InGaAs PIN光電二極體；4.空芯光子晶體光纖採用F-AIR-11/1550型號的光纖。
權利要求
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)連接的導光氣室光路和採用普通光纖1的參考光路、及設置於導光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極體(11)、鎖相放大器(12)的用於為外部氣體濃度監測電路(15)提供信號的信號轉換部分，其特徵在於導光氣室採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.根據權利要求1所述的空芯光子晶體光纖氣體傳感器，其特徵在於所述導光氣室光路進光端設置有光開關(13)，光分路器(10)通過光開關(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.根據權利要求1或2所述的空芯光子晶體光纖氣體傳感器，其特徵在於所述導光氣室光路和參考光路的出光端設置有光譜儀(14)。
全文摘要
本發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。解決了現有光纖氣體傳感器存在系統裝置比較複雜、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光氣室光路和採用普通光纖的參考光路、及設置於導光氣室光路和參考光路另一端的包含光電二極體、鎖相放大器的用於為外部氣體濃度監測電路提供信號的信號轉換部分，導光氣室採用其上開有微米級大小透氣微孔的空芯光子晶體光纖。採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傳統氣室，減少了光的損耗，提高了有效吸收光程和器件的響應速度，適用於現場氣體監控。
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 優先權日2006年7月26日
發明者薛晨陽, 張文棟, 熊繼軍, 劉俊, 張斌珍, 陳尚, 謝斌 申請人:中北大學