一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖氫氣傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于偏振光干涉的保偏光子晶 體光纖氫氣傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 氫氣(H2)的能量密度高，燃燒產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)害，被公認(rèn)為二十一世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿?的二次能源。在室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，氫氣的爆炸濃度范圍非常廣(4 %~74.2 %)，點(diǎn)火 能量極小(〇.〇2mJ)，強(qiáng)烈的易燃易爆性對(duì)氫氣檢測(cè)裝置的安全性，可靠性以及對(duì)超低濃度 氫氣的響應(yīng)能力提出了較高要求。
[0003] 光學(xué)氫氣傳感器，尤其是光纖氫氣傳感器，利用光作為媒介進(jìn)行氫氣濃度傳感，由 于傳感部分不存在電學(xué)部件，具有本質(zhì)防爆，靈敏度高，對(duì)電磁干擾免疫等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)引 起了廣泛的關(guān)注和研究。常見(jiàn)的光纖光柵型氫氣傳感器，需要額外的溫度補(bǔ)償措施抑制中 心波長(zhǎng)的溫度漂移，檢測(cè)精度不高的同時(shí)還存在對(duì)溫度交叉敏感的問(wèn)題。
[0004] 保偏光子晶體光纖(PM-PCF)是具有保偏特性的光子晶體光纖，通過(guò)纖芯周圍的光 子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合應(yīng)力棒產(chǎn)生統(tǒng)一的應(yīng)力雙折射效應(yīng)，能夠長(zhǎng)距離地保持偏振光的偏振態(tài)同 位，其良好的溫度特性，有利于制作對(duì)溫度不敏感的光纖器件，能有效簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，提高 裝置穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于偏振光干涉的保偏光子晶 體光纖氫氣傳感器，通過(guò)干涉波谷波長(zhǎng)的漂移量反應(yīng)氫氣濃度，該結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)，靈敏度 高，溫度特性優(yōu)良，能有效減輕環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)氫氣濃度檢測(cè)帶來(lái)的不利影響。
[0006] 本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳 感器，由寬帶光源（1)，傳輸光纖(2)，偏振控制器(3)，PM-PCF(4)，Pd/Ag氫敏感膜(5)，二維 光纖夾具(6)，恒溫氣室(7)，光譜儀(8)組成；寬帶光源（1)通過(guò)傳輸光纖(2)連接至偏振控 制器(3)，偏振控制器(3)通過(guò)傳輸光纖(2)與PM-PCF(4)左端相連，PM-PCF(4)右端通過(guò)傳輸 光纖(2)與光譜儀(9)相連;其中，PM-PCF(4)的慢軸外側(cè)均勻?yàn)R射Pd/Ag氫敏感膜(5)覆蓋外 周的二分之一構(gòu)成氫敏感頭，二維光纖夾具(6)將PM-PCF(4)固定在恒溫氣室(8)底部。
[0007] 所述的PM-PCF(4)的長(zhǎng)度為30mm~50mm，Pd/Ag氫敏感膜（5)的鍍膜長(zhǎng)度為20mm~ 30mm，膜厚為40nm~50nm，Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~40%〇
[0008] 所述的PM-PCF(4)選用的保偏光子晶體光纖的優(yōu)選型號(hào)是PM-1550-01，工作波長(zhǎng) 在1550nm〇
[0009] 本發(fā)明的工作原理是：寬帶光源（1)發(fā)射波長(zhǎng)1500nm~1600nm的光束，通過(guò)偏振控 制器(3 )調(diào)整偏振態(tài)后沿傳輸光纖(2 )入射PM-PCF。由于PM-PCF (4 )的慢軸外側(cè)均勻?yàn)R射Pd/ Ag氫敏感膜(5)并覆蓋外周的二分之一，包層表面鍍膜分布沿軸向不對(duì)稱，在Pd/Ag氫敏感 膜(5)吸收氫氣發(fā)生體積膨脹后，擠壓包層內(nèi)空氣孔能對(duì)快軸、慢軸的雙折射效應(yīng)產(chǎn)生不同 影響。受調(diào)制后慢軸光的偏振方向和相位發(fā)生改變，而快軸光狀態(tài)保持不變，兩個(gè)傳輸模式 之間出現(xiàn)相位差并在傳輸光纖(2)內(nèi)發(fā)生干涉，干涉信號(hào)沿傳輸光纖(2)被光譜儀(8)接收。 由此可知，干涉光譜的漂移量由Pd/Ag氫敏感膜(5)擠壓PM-PCF(4)引入的相位差決定，而 Pd/Ag氫敏感膜(5)對(duì)氫氣非常敏感，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境氫氣濃度的高精度傳感。
[0010] 快軸光與慢軸光之間的相位差，由PM-PCF自身和Pd/Ag氫敏感膜(5 )的擠壓同時(shí) 決定，可以表示為
式中，整數(shù)m為干涉級(jí)次，&為第m級(jí)波谷波長(zhǎng)，A、_分別為PM-PCF的固有雙折射和 光纖長(zhǎng)度;分別為Pd/Ag氫敏感膜(5)引入的附加雙折射和鍍膜區(qū)域的長(zhǎng)度。
[0011] Pd由于吸收出分子晶格體積發(fā)生膨脹，擠壓包層內(nèi)空氣孔引起慢軸的雙折射改 變，兩個(gè)傳輸模式之間的相位差#變?yōu)?br>由（1)式和(2)式可得，第m級(jí)干涉波谷漂移量44為
附加雙折射變化量決定了第m級(jí)干涉波谷漂移量，而Pd/Ag氫敏感膜(5)對(duì)氫氣非 常敏感，因此能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣濃度的高精度傳感。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：（1)選用溫度特性優(yōu)良的PM-PCF制作對(duì)溫度不敏感的光纖 氫氣傳感器，無(wú)需溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，有效簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，節(jié)約制作成本;（2)Ag能有效抑制Pd結(jié) 合Η原子發(fā)生的相變，穩(wěn)定金屬晶格結(jié)構(gòu)，緩解Pd涂層表面起泡、層錯(cuò)現(xiàn)象，提高氫敏感膜機(jī) 械性能，延長(zhǎng)裝置使用壽命;因此，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，能減輕溫度波動(dòng)對(duì)氫氣 濃度檢測(cè)帶來(lái)的影響等優(yōu)點(diǎn)，為氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)提供了一種切實(shí)可行的方案。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器的系統(tǒng)原理圖。
[0014] 圖2是一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器中氫敏感頭的橫截面 示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0016] 參見(jiàn)附圖1，一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器，其特征在于： 由寬帶光源（1)，傳輸光纖(2)，偏振控制器(3)，PM-PCF(4)，Pd/Ag氫敏感膜(5)，二維光纖夾 具（6)，恒溫氣室（7)，光譜儀(8)組成；寬帶光源（1)通過(guò)傳輸光纖（2)連接至偏振控制器 (3)，偏振控制器(3)通過(guò)傳輸光纖(2)與PM-PCF(4)左端相連，PM-PCF(4)右端通過(guò)傳輸光纖 (2)與光譜儀(9)相連;二維光纖夾具(6)將PM-PCF(4)固定在恒溫氣室(8)底部;氫敏感頭橫 截面參見(jiàn)附圖2，PM-PCF(4)的慢軸外側(cè)均勻?yàn)R射Pd/Ag氫敏感膜(5)覆蓋外周的二分之一， PM-PCF(4)的長(zhǎng)度為40mm，鍍膜區(qū)域的長(zhǎng)度為30mm，Pd/Ag氫敏感膜(5)的膜厚為40nm，Ag的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，PM-PCF( 4)是PM-1550-01型號(hào)的保偏光子晶體光纖。
[0017] 傳輸光纖(2)利用單模光纖制作而成，傳輸光纖(2)和PM-PCF(4)之間使用光纖熔 接機(jī)標(biāo)準(zhǔn)程序熔接，采用的光纖熔接機(jī)型號(hào)為Fujikura 60s。二維光纖夾具(6)維持PM-PCF (4 )水平繃直，以免Pd/Ag氫敏感膜(5 )因?yàn)楣饫w彎曲脫落和保持PM-PCF( 4 )固有雙折射恒 定。恒溫氣室(7)內(nèi)氣溫保持在25攝氏度。
[0018] 本發(fā)明的工作原理是：寬帶光源（1)發(fā)射波長(zhǎng)1500nm~1600nm的光束，通過(guò)偏振控 制器(3 )調(diào)整偏振態(tài)后沿傳輸光纖(2 )入射PM-PCF。由于PM-PCF (4 )的慢軸外側(cè)均勻?yàn)R射Pd/ Ag氫敏感膜(5)并覆蓋外周的二分之一，包層表面鍍膜分布沿軸向不對(duì)稱，在Pd/Ag氫敏感 膜(5)吸收氫氣發(fā)生體積膨脹后，擠壓包層內(nèi)空氣孔能對(duì)快軸、慢軸的雙折射效應(yīng)產(chǎn)生不同 影響。受調(diào)制后慢軸光的偏振方向和相位發(fā)生改變，而快軸光狀態(tài)保持不變，兩個(gè)傳輸模式 之間出現(xiàn)相位差并在傳輸光纖(2)內(nèi)發(fā)生干涉，干涉信號(hào)沿傳輸光纖(2)被光譜儀(8)接收。 由此可知，干涉光譜的漂移量由Pd/Ag氫敏感膜(5)擠壓PM-PCF(4)引入的相位差決定，而 Pd/Ag氫敏感膜(5)對(duì)氫氣非常敏感，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境氫氣濃度的高精度傳感。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器，其特征在于：由寬帶光源 (1)，傳輸光纖(2)，偏振控制器(3)，PM-PCF(4)，Pd/Ag氫敏感膜(5)，二維光纖夾具(6)，恒溫 氣室(7)，光譜儀(8)組成；寬帶光源（1)通過(guò)傳輸光纖(2)連接至偏振控制器(3)，偏振控制 器(3)由一個(gè)偏振片、一個(gè)四分之一波片和一個(gè)二分之一波片組合而成，偏振控制器(3)通 過(guò)傳輸光纖(2 )與PM-PCF( 4 )左端相連，PM-PCF( 4)右端通過(guò)傳輸光纖(2 )與光譜儀(9 )相連； 其中，PM-PCF(4)的慢軸外側(cè)均勻?yàn)R射Pd/Ag氫敏感膜(5)覆蓋該P(yáng)M-PCF(4)外周的二分之一 構(gòu)成氫敏感頭，二維光纖夾具(6)將PM-PCF(4)固定在恒溫氣室(8)底部。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器，其特 征在于：所述的PM_PCF( 4)的長(zhǎng)度為30mm~50mm，Pd/Ag氫敏感膜（5)的鍍膜長(zhǎng)度為20mm~ 30mm，膜厚為40nm~50nm，Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~40%〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器，其特 征在于:所述的PM-PCF(4)選用的保偏光子晶體光纖的優(yōu)選型號(hào)是PM-1550-01，工作波長(zhǎng)在 1550nm〇
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于部分偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器，由寬帶光源，傳輸光纖，偏振控制器，PM-PCF，Pd/Ag氫敏感膜，二維光纖夾具，恒溫氣室，光譜儀組成。寬帶光源發(fā)射的光束通過(guò)偏振控制器調(diào)整偏振態(tài)后入射PM-PCF，PM-PCF的慢軸外側(cè)均勻?yàn)R射Pd/Ag氫敏感膜并覆蓋了外周的二分之一。光纖表面鍍膜分布沿軸向不對(duì)稱導(dǎo)致Pd/Ag氫敏感膜吸氫膨脹對(duì)快慢軸雙折射造成的影響不同，慢軸光的偏振方向和相位發(fā)生改變，而快軸光狀態(tài)保持不變。兩個(gè)傳輸模式在傳輸光纖內(nèi)發(fā)生干涉，光譜被光譜儀接收。Pd/Ag氫敏感膜對(duì)氫氣非常敏感，因此干涉光譜漂移量能精確反映環(huán)境氫氣濃度。該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，溫度漂移小，為氫氣濃度在線監(jiān)測(cè)提供了切實(shí)可行的方案。
【IPC分類】G01N21/21
【公開號(hào)】CN105606536
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610185087
【發(fā)明人】包立峰, 沈常宇, 姚宇竹
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【公開日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2016年3月29日