專利名稱：一種反射型全光纖氫氣傳感器及其制備和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及光纖傳感器的研究與制備。更具體而言，涉及一種反射型全光纖氫氣傳感器及其制作方法與測量應(yīng)用。
背景技術(shù)：
光纖傳感是20世紀(jì)70年代問世的一門新技術(shù)，它是以光作為信息載體，以光纖作為信息傳輸介質(zhì)的一種傳感技術(shù)。由于光纖傳感器相對于傳統(tǒng)傳感器而言具有體積小重量輕，不受電磁干擾，高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，因而自20世紀(jì)70年代低損耗光纖問世以來，它逐步成為新一代傳感器的研發(fā)方向之一，展現(xiàn)出非常好的應(yīng)用前景。近幾年來，隨著科技的進(jìn)步和研究的深入，各式各樣的光纖傳感器(諸如溫度，壓力，應(yīng)力，折射率，電流，電壓，氣體傳感器等)不斷被研制出來，尤其是自物聯(lián)網(wǎng)的概念提出以來，光纖傳感更是成為一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。氫氣是一種重要的工業(yè)原料，在石油化工、電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工等方面有著重要的應(yīng)用。同時(shí)，氫氣作為一種替代能源，不僅清潔環(huán)保，并且具有豐富的來源，因此氫氣在新能源領(lǐng)域的地位日益重要。但是氫氣分子的體積非常小，極易發(fā)生泄漏?？諝庵袣錃鉂舛冗_(dá)到4%-74.5%遇到明火即可導(dǎo)致爆炸。因此，在氫氣運(yùn)輸、儲存以及使用的過程中，對環(huán)境氫氣濃度進(jìn)行檢測是一項(xiàng)十分重要和必要的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是:利用光子晶體光纖制備一種反射型全光纖氫氣傳感器，使其具有高靈敏度、高響應(yīng)速度、穩(wěn)定抗干擾、低成本等優(yōu)勢。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這種傳感器的制備及測量方法。本發(fā)明傳感器的技術(shù)方案是:一種反射型全光纖氫氣傳感器，包括單模光纖和光子晶體光纖，光子晶體光纖的一個(gè)端面以及光子晶體光纖纖芯孔洞陣列的內(nèi)壁上鍍有一定厚度的金屬鈀膜；所述光子晶體光纖的另一個(gè)端面與單模光纖熔接。所述反射型全光纖氫氣傳感器的制備方法，包括如下步驟:首先，用光纖切割刀將單模光纖一端切平，光子晶體光纖兩端切平；其次，采用鍍膜方法，在所述光子晶體光纖的一端鍍一定厚度的鈀膜，鍍膜過程中鈀顆粒為埃米量級，而光子晶體光纖空氣孔洞直徑為微米量級，因此光子晶體光纖空氣孔洞陣列中亦有一定長度的鈀膜分布；然后，利用熔接光纖的方法，將單模光纖與所述光子晶體光纖未鍍鈀膜的一端熔接起來，即為反射型全光纖氫氣傳感器。其中所述光子晶體光纖使用長度可為0.5-10厘米，纖芯分布直徑2.5微米左右的孔洞陣列，其型號可以是LMA-8 ;光源為寬帶光源，可以是超連續(xù)光源，也可以是ASE光源。光子晶體光纖端面的鈀膜，采用磁控濺射鍍膜技術(shù)制備，厚度可根據(jù)使用者對響應(yīng)時(shí)間的需求以及待測環(huán)境中氫氣的濃度范圍而在10-200納米間選取。
所述反射型全光纖氫氣傳感器的測量方法，包括光源、光纖環(huán)形器、光譜儀、單模光纖和所述反射型全光纖氫氣傳感器，光源輸出端通過單模光纖接光纖環(huán)形器的第一端口，光纖環(huán)形器第三端口連接所述反射型全光纖氫氣傳感器的單模光纖，光纖環(huán)形器第二端口通過另一單模光纖連接光譜分析儀；其光路為:光源輸出端的入射光經(jīng)傳輸單模光纖進(jìn)入光纖環(huán)形器，再經(jīng)傳輸單模光纖進(jìn)入氫氣傳感器的感應(yīng)單元，即所述光子晶體光纖，入射光由光子晶體光纖端面處反射產(chǎn)生反射光，反射光經(jīng)傳輸單模光纖和光纖環(huán)形器到達(dá)光譜分析儀。本發(fā)明中的反射型全光纖氫氣傳感器，其原理為:所述光子晶體光纖中的傳輸光分為基模光信號1。_與包層模光信號Idadding,經(jīng)光子晶體光纖端面金屬鏡面反射，1。_與Icladding干涉光譜信號被光譜儀接收；當(dāng)氫氣與所述光子晶體光纖孔洞陣列中的鈀接觸生成鈀的氫化物PdHx后，光子晶體光纖芯層有效折射率發(fā)生改變，基模光信號1。_與包層模光信號Uadding干涉譜極小值對應(yīng)波長產(chǎn)生移位，從而實(shí)現(xiàn)波長調(diào)制型全光纖氫氣傳感器的制備。系統(tǒng)采用全光纖條件下的測量方法，光路內(nèi)無任何分立的光學(xué)元件，能夠有效克服外界振動(dòng)帶來的不利影響，同時(shí)節(jié)約了材料，降低了系統(tǒng)成本。本發(fā)明同時(shí)具有以下優(yōu)勢:(1)該氫氣傳感器采用全光纖光路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)無任何分立光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡單易集成，對于外界電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)具有優(yōu)良的抵抗性，操作方便，制備成本低。(2)該氫氣傳感器采用波長調(diào)制方式，相對于強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，具有對光源擾動(dòng)免疫力高，檢測性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確等優(yōu)勢，系統(tǒng)檢測結(jié)果在穩(wěn)定性與可靠性方面有很大提高。(3)該氫氣傳感器光路設(shè)計(jì)為反射式，縮短了光路長度，節(jié)約了成本，降低了光路損耗。(4)該反射型全光纖氫氣傳感器利用端面鍍有鈀膜以及空氣空洞中濺有鈀顆粒的光子晶體光纖作為傳感頭，在氫氣爆炸極限下限的濃度環(huán)境中，反射譜極小值波長發(fā)生移位可達(dá)納米量級，靈敏度相對布拉格光柵波長調(diào)制型氫氣傳感器高一個(gè)數(shù)量級。


圖1是本發(fā)明反射型全光纖氫氣傳感器的光路圖；圖2是光子晶體光纖與單模光纖熔接區(qū)的顯微鏡圖；圖3是光子晶體光纖端面鍍鈀膜后的截面示意圖，Ca)是2000放大倍數(shù)下的SEM圖，(b)是10000放大倍數(shù)下的SEM圖；圖4反射型全光纖氫氣傳感器傳感單元光子晶體光纖傳感原理圖；圖5是實(shí)施例中反射型全光纖氫氣傳感器共振波長在氫氣環(huán)境下的光譜圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說明，使本發(fā)明得以清楚展現(xiàn)。圖1是反射型全光纖氫氣傳感器的光路圖，包括超連續(xù)光源，一個(gè)光纖環(huán)形器4，普通單模光纖5，一段一端鍍有鈀膜的光子晶體光纖，一臺光譜分析儀。超連續(xù)光源輸出端的入射光經(jīng)傳輸單模光纖5進(jìn)入光纖環(huán)形器4的第I端口，然后光從光纖環(huán)形器4的第3端口出來，再經(jīng)傳輸單模光纖5進(jìn)入氫氣傳感器的感應(yīng)單兀,即所述光子晶體光纖，入射光由光子晶體光纖端面處反射產(chǎn)生反射光，反射光經(jīng)傳輸單模光纖5、光纖環(huán)形器4的第2端口到達(dá)光譜分析儀。制備過程:首先用光纖切割刀將單模光纖6和光子晶體光纖7端面切平，讓后用熔接機(jī)熔接單模光纖6和光子晶體光纖7。光子晶體光纖7與單模光纖6的熔接示意圖如圖2，其中光子晶體光纖7中的空氣孔洞8清晰可見；然后采用濺射法垂直于光子晶體光纖7一端面鍍鈀膜，設(shè)定鈀膜厚度為0.05微米，光子晶體光纖纖芯空氣孔洞直徑為2.3微米左右，因此空氣孔洞中亦有鈀膜分布，圖2是光子晶體光纖7鍍有鈀膜一端在電鏡下的截面示意圖，該光子晶體光纖型號為LMA-8，長度為10毫米。圖4所示為該反射型全光纖氫氣傳感器傳感單元的工作原理圖，具體說明如下:該光子晶體光纖長度為10毫米,纖芯分布空氣孔洞8陣列,在光子晶體的一端鍍有0.05微米厚的金屬鈀膜9，鍍膜過程中鈀顆粒為埃米量級，而光子晶體光纖空氣孔洞8直徑為微米量級，因此光子晶體光纖空氣孔洞8陣列中亦有一定長度的鈀膜9分布；鈀作為一種氫敏材料，被廣泛的應(yīng)用于氫氣傳感領(lǐng)域，當(dāng)氫氣分子與鈀接觸后，氫氣分子在鈀膜表面解離吸附為氫原子并擴(kuò)散進(jìn)入鈀的晶格，生成鈀的氫化物PdHx,這一變化帶來了鈀光學(xué)性質(zhì)的改變，從而使傳輸光的信息發(fā)生相應(yīng)的變化。具體為:光在光子晶體光纖的芯層10和包層11中傳輸并發(fā)生干涉，芯層10中為基模光信號1。_，包層11中為包層模光信號Idadding,經(jīng)光子晶體光纖端面金屬鏡面反射，1。_與Idadding干涉光譜信號被光譜儀接收；當(dāng)氫氣與所述光子晶體光纖孔洞8陣列中的鈀膜9接觸生成鈀的氫化物PdHx后，光子晶體光纖芯層有效折射率發(fā)生改變，基模光信號1。_與包層模光信號Idadding干涉譜極小值對應(yīng)波長產(chǎn)生移位，從而實(shí)現(xiàn)波長調(diào)制的反射型全光纖 氫氣傳感器的制備。圖5為本發(fā)明中反射型全光纖氫氣傳感器在無氫氣環(huán)境與氫氣濃度為4%環(huán)境下的反射光譜圖。圖中可以看出，當(dāng)環(huán)境中氫氣濃度為4%時(shí)，反射光譜向左移動(dòng)，這是因?yàn)橥ㄈ霘錃夂?，光子晶體光纖纖芯有效折射率發(fā)生改變，導(dǎo)致基模光信號1。_與包層模光信號Icladding干涉譜極小值對應(yīng)波長產(chǎn)生了移位。圖5所示的光譜左起第一極小值，從氫氣濃度為O時(shí)的1532.9納米移至氫氣濃度為4%時(shí)的1531.2納米，Λ λ ^ 1.7nm。試驗(yàn)中選取4%的氫氣濃度記錄數(shù)據(jù)是因?yàn)榭諝庵袣錃獾谋O限的下限為4%。本發(fā)明中采用波長調(diào)制方式，相對于強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，具有對光源擾動(dòng)免疫力高，檢測性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確等優(yōu)勢，減小了由于老化和現(xiàn)場應(yīng)用等因素造成的光源輸出功率波動(dòng)及器件損耗的影響，系統(tǒng)檢測結(jié)果在穩(wěn)定性與可靠性方面有很大提高；該氫氣傳感器采用反射式全光纖光路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)無任何分立光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡單易集成，對于外界電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)具有優(yōu)良的抵抗性，操作方便，制備成本低廉，光路損耗低；該氫氣傳感器在環(huán)境氫氣濃度為4%時(shí)，反射譜波長極小值移動(dòng)△ λ可達(dá)1.7納米，靈敏度相對布拉格光柵波長調(diào)制型氫氣傳感器高一個(gè)數(shù)量級。
權(quán)利要求
1.一種反射型全光纖氫氣傳感器，包括單模光纖和光子晶體光纖，其特征在于，光子晶體光纖的一個(gè)端面以及光子晶體光纖纖芯孔洞陣列的內(nèi)壁上鍍有一定厚度的金屬鈀膜；所述光子晶體光纖的另一個(gè)端面與單模光纖熔接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種反射型全光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述光子晶體光纖的長度為0.5-10厘米，纖芯孔洞陣列的直徑為2.2-2.5微米，所述金屬鈀膜的厚度為10-200 納米。
3.如權(quán)利要求1所述的一種反射型全光纖氫氣傳感器的制備方法，包括如下步驟:(I)用光纖切割刀將單模光纖一端切平，并將光子晶體光纖兩端切平，(2)利用鍍膜方法，在所述光子晶體光纖的一端鍍上一定厚度的鈀膜，該光子晶體光纖纖芯孔洞陣列中的一定長度內(nèi)壁上亦有鈀膜分布，(3)采用熔接光纖的方法，將單模光纖與所述光子晶體光纖的未鍍鈀膜的一端熔接起來，即得到反射型全光纖氫氣傳感器。
4.利用權(quán)利要求1所述的一種反射型全光纖氫氣傳感器的測量方法，包括光源、光纖環(huán)形器、光譜儀、單模光纖和所述反射型全光纖氫氣傳感器，光源輸出端通過單模光纖接光纖環(huán)形器的第一端口，光纖環(huán)形器第三端口連接所述反射型全光纖氫氣傳感器的單模光纖，光纖環(huán)形器第二端口通過另一單模光纖連接光譜分析儀；其光路為:光源輸出端的入射光經(jīng)傳輸單模光纖進(jìn)入光纖環(huán)形器，再經(jīng)傳輸單模光纖進(jìn)入氫氣傳感器的感應(yīng)單元，即所述光子晶體光纖，入射光由光子晶體光纖端面處反射產(chǎn)生反射光，反射光經(jīng)傳輸單模光纖和光纖環(huán)形器到達(dá)光譜分析儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種反射型全光纖氫氣傳感器及其制備和測量方法。該傳感器由單模光纖和光子晶體光纖組成，光子晶體光纖的一個(gè)端面以及光子晶體光纖纖芯孔洞陣列的內(nèi)壁上鍍有一定厚度的金屬鈀膜，光子晶體光纖的另一個(gè)端面與單模光纖熔接。測量光路為光源輸出端的入射光經(jīng)傳輸單模光纖進(jìn)入光纖環(huán)形器，再經(jīng)傳輸單模光纖進(jìn)入光子晶體光纖，入射光由光子晶體光纖端面處反射產(chǎn)生反射光，反射光經(jīng)傳輸單模光纖和光纖環(huán)形器到達(dá)光譜分析儀。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單易集成，具有對光源擾動(dòng)免疫力高，檢測性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確等優(yōu)勢，該氫氣傳感器在環(huán)境氫氣濃度為4％時(shí)，反射譜波長極小值移動(dòng)Δλ可達(dá)1.7納米，靈敏度相對布拉格光柵波長調(diào)制型氫氣傳感器高一個(gè)數(shù)量級。
文檔編號G01N21/45GK103175807SQ20131005304
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月18日
發(fā)明者徐飛, 周峰, 邱孫杰, 羅煒, 陸延青, 胡偉 申請人:南京大學(xué)