一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，具体设及一种获取甲烧浓度的基于模间干设的光 子晶体光纤甲烧传感装置。
【背景技术】
[0002] 光纤气体传感器具有电绝缘性好、抗强电磁干扰、本质安全、体积小、耐腐蚀等特 点，特别适宜易燃、易爆、高温等恶劣环境使用，可用于工业气体在线监测、有害气体分析、 环境空气质量监测和爆炸气体检测等。
[0003] 光子晶体光纤（PCF，Photonic hystal Fiber)是一种折射率呈周期性变化的人 工构建的光物理功能材料，其横截面上含有不同排列形式的气孔，该些气孔的尺度与光波 波长大致在同一量级且贯穿光纤整个长度，光波被限制在低折射率纤巧区域内传播。光子 晶体光纤具有无截止单模、不同的色度色散、极好的非线性效应和双折射效应、较高的入射 功率、可多巧传输等特点，是开发高性能光纤气体传感器重要平台。
[0004] 根据导光机制的不同，光子晶体光纤分为实巧光子晶体光纤（也称折射率引导型 光子晶体光纤，Index-Guiding PC巧和空巧光子晶体光纤（也称空巧光子带隙光纤，化Ilow Core Photonic Band-Gap PCF)〇
[0005] 对于基于光谱吸收原理的光子晶体光纤甲烧传感器而言，化o Y L等（I邸E Photonics Technology Letters, 2003, 15(10) :1似4 ?1436)建立了 W横截面呈六角形分 布的实巧光子晶体光纤为平台的甲烧传感器，通过测量实巧光子晶体光纤中由倏逝波吸收 引起的光衰减，进而获取气体扩散系数。但是，该种倏逝波光衰减测量方式的能量利用率较 低，仅占全部传输功率的6%。而采用空巧光子晶体光纤进行吸收传感更具优势，因检测样 品处于纤巧区域内使分布在纤巧区域内的光功率很高（约占95% )，故光谱吸收型空巧光 子晶体光纤传感器的检测灵敏度和准确性更高。
[0006] 对此，CubillasAM等（Sensors，2009,9巧）：6261 ? 6272)W空巧光子晶体光 纤为气体池，制作了基于近红外吸收的光纤甲烧传感器，具有体积小、与气体作用长度长 等特点，气体在空巧光子晶体光纤的填充时间与光纤长度和几何形状有关；化billas A M 等（Optics Express, 2007, 15 (26): 17570 ?17576)还开展了基于 1670nm 空巧光子晶体 光纤气体传感器研究，使测量能够在甲烧的最强吸收峰1670nm处实现，信噪比高，检测限 lOppm ;Lazaro J M 等（Proc. of SPIE, 2008, 7004:70044U-1 ?4)针对空巧光子晶体光纤 气体传感器存在的气体填充时间长、响应时间更长等不足，通过多光纤禪合缩短响应时间； Parry J P 等（Measurement Science and Technology, 2009, 20 (7): 075301-1 ?8)利用 1550nm空巧光子晶体光纤制作一种紧凑、低容量的甲烧和己诀气体传感器，但仍存在被探 测样品折射率影响出射光强、空巧易被污染、清洗复杂、环境要求高、光源稳定性要求也高、 甲烧选择性有待进一步提高等问题。
[0007] 为了解决光谱吸收型光子晶体光纤甲烧传感器问题，人们提出了一种基于模间干 设的实巧光子晶体光纤传感器解决方案，其核屯、是基于包层空气孔特性变化导致的包层模 有效折射率改变。
[000引当包层空气孔注入液体时可形成液体折射传感器，化a R，Villatoro J 等（Applied Physics Letters, 2008,93 (19):191 106_1 ?3 ;0ptics Letters, 2009, 34(5) :617 ?619 ;Proc. of SPIE, 2009, 7316:73161B-1 ?6)提出 了反射 /透射型光子晶体光纤干设仪并用于液体折射率测量，折射率变化范围1. 320?1. 440， 其稳定性好、分辨率高、温度敏感性低；黄静等（Proc. of SPIE，2013,9044:90440S-1? 5)还对基于模间干设的光子晶体光纤折射率传感器进行模拟计算，并进行了液体折射 率传感器实验佐证，表明理论计算与实验结果的一致性。同时，Villatoro J等Wptics Express，2009, 17(3) :1447 ?1453 ;Proc. of SPIE，2009,7316:73161A-1 ?6)还提出了基 于折射率变化的模间干设型光子晶体光纤气体传感器，其传感原理是填充于包层空气孔的 介质折射率影响包层模有效折射率，而包层空气孔的介质折射率与待测气体浓度相关，该 传感器由一段光子晶体光纤与普通标准单模光纤烙接而成，当光子晶体光纤包层空气孔渗 入挥发性有机化合物时，其反射光谱呈正弦干设条纹，检测水平达纳摩尔量级。但是，该种 气体传感器仅W挥发性有机化合物密度变化为依据，选择性差，灵敏度不高。
【发明内容】
[0009] 为了克服现有技术不足，充分发挥模间干设型光子晶体光纤的波长调制、对包层 空气孔介质折射率敏感、抗环境温度和光纤曲率变化干扰W及笼形分子E-(0C2&) e对甲烧 气体选择性高等优点，本发明设计一种稳定性好、灵敏度高的模间干设型光子晶体光纤甲 烧传感装置。其传感过程是W含笼形分子E-(0C2Hg)e的聚碳酸醋树脂的聚合物薄膜作为甲 烧敏感材料，涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁W形成甲烧传感器，当甲烧气体进入包 层空气孔并与敏感薄膜特异性相互作用时膜层折射率发生变化，使包层模有效折射率改变 进而影响反射干设谱特征波长，即可实现对甲烧气体高灵敏度、高选择性、高稳定性检测。
[0010] 为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案如下：
[0011] 一种基于模间干设的光子晶体光纤甲烧传感装置，包括宽带光源、光环形器、包层 空气孔涂覆敏感薄膜的光子晶体光纤甲烧传感器、测试气室、开关阀口、质量流量控制器、 光谱分析仪和计算机构成。所述光纤甲烧传感器由单模光纤、光子晶体光纤W及两者的烙 接区域构成，单模光纤的另一端通过光环形器的输入端连接到宽带光源，光环形器的输出 端连接光谱分析仪和计算机；光纤甲烧传感器位于测试气室内，测试气室有通入待测甲烧 气体的进气口和出气口，进气口通过开关阀口连接控制待测甲烧气体的质量流量控制器。 所述敏感薄膜涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁，光子晶体光纤开口端与待测甲烧气体 直接相通。所述含笼形分子E-(0C2&)e的聚碳酸醋树脂甲烧敏感薄膜是将聚碳酸醋树脂、笼 形分子E-(0C2&) e溶于四氨快喃，超声波混合