一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氢气传感装置的制造方法

文档序号:9785304
一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氢气传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤氢气传感技术领域,具体涉及一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤 的氢气传感装置。
【背景技术】
[0002] 氢能是引起发达国家普遍重视的零污染的新能源。一般条件下,空气中的氢气含 量处于4%~74.4%时,极易被引燃和发生剧烈爆炸。因此,防爆、可靠、高灵敏度的氢敏传 感器具有重要的研究价值。全光传感检测本质防爆,具有较强的抗干扰能力,是氢敏传感器 的主要研究方向。
[0003] 表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感技术是先进的光电传感 技术,能够达到1(T6RIU的灵敏度。光纤SPR传感装置体积小巧,结构多样,适合远程多点测 量,而且SPR信号不易受到机械结构、温度湿度等外界因素的干扰,研究潜力巨大。但SPR传 感头的制作工艺复杂,信号响应强度有限,易受系统自身噪声的影响。
[0004] 渐变折射率光纤(自聚焦光纤),纤芯折射率满足抛物线型的梯度分布,纤芯中心 的折射率最高,沿径向递减,光束在其中传播能自动聚焦而不发生色散。与全反射光纤相 比,渐变折射率光纤的光透过率更高,光能损失更小,在抑制光纤中混沌现象和增加传输距 离方面有重要应用。

【发明内容】

[0005] 针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤 的氢气传感装置,包层模在纤芯-氢敏感薄膜交界面发生表面等离子共振,氢敏感薄膜吸附 氢气浓度的变化改变其有效折射率,导致包层模反射回纤芯的能量改变,通过归一化出射 光强的漂移量检测氢气的浓度。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现:一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氢气传感装 置,由半导体激光器(1 ),第一 GRIN透镜(2 ),第一单模光纤(3 ),渐变折射率光纤(4 ),氢敏感 薄膜(5),第二GRIN透镜(6),第二单模光纤(7),光功率计(8),恒温气室(9)组成,半导体激 光器(1)出射端与第一GRIN透镜(2)紧密相连,半导体激光器(1)发射的光束经第一GRIN透 镜(2)耦合到第一单模光纤(3)纤芯,第一单模光纤(3)出射端与渐变折射率光纤(4)入射端 直接耦合相连,渐变折射率光纤(4)出射光束经第二GRIN透镜(6)耦合到第二单模光纤(7) 纤芯,第二单模光纤(7)出射端与光功率计(8)相连;渐变折射率光纤(4)经过侧边抛磨后溅 射氢敏感薄膜(5)形成敏感区,渐变折射率光纤(4)与氢敏感薄膜(5)-起置于恒温气室(9) 中。
[0007] 所述的渐变折射率光纤(4)具体为纤芯折射率倒置分布的渐变折射率光纤,纤芯 直径约为400μπι,入射端面与出射端面均经过抛光处理。
[0008] 所述的渐变折射率光纤(4)采用轮式侧抛技术进行侧边抛磨去除部分包层和纤 芯,纤芯抛磨后剩余厚度为200μηι~300μηι,纤芯裸露长度为20mm;采用磁控派射法在裸露的 纤芯上溅射氢敏感薄膜(5),具体为膜厚40nm~200nm的Au/Pd薄膜或Ag/Pd薄膜。
[0009] 本发明的工作原理是:所述的渐变折射率光纤(4)具体为纤芯折射率倒置分布的 渐变折射率光纤,由改进的化学气相沉积法制成,纤芯中心的折射率最低(n center=l.450), 沿径向递增(na=l.457),其纤芯折射率η沿径向的分布可近似为 mj + m2R + m3R2 + m4i?3 + msR* H---~-,0<i?<0.86 1 + m7R n(R) = < na ,0.86 < i? <1 (1) i\ ,/? > 1 (1) 式中,R = r/a是距离光轴的位置与纤芯半径的比值,代表纤芯内归一化位置;系数 mi = 1 · 45,m2 = -5*10-6,m3 = 0 · 004,m4 = 0 · 005,m5 = 0 · 006,m6 = 0 · 0025,m7 = 669,na 为包层折 射率,m为环境介质折射率。
[0010] 子午光线在所述的渐变折射率光纤(4)纤芯中传播满足微分方程 dZ neff2 --=--- (2) dR n2 (i?)- (2) 式中,Z = z/a是传播距离与纤芯半径的比值,代表归一化传播距离;neff=1.45为有 效折射率。
[0011] 通过Runge-Kutta法求解(2)式可知,在所述的渐变折射率光纤(4)纤芯中主要存 在两种传播光线,第一类传播光线的路径为双曲余弦型,传播过程中不穿过光轴;第二类传 播光线的路径为双曲正弦型,每个传播周期两次穿过光轴。两种光线在纤芯-包层交界面的 入射角均取决于归一化入射距离H,H = h/a是点光源至入射端面的距离与纤芯半径的比值, 在上述条件下当H=6.5mm时入射角Ψ的范围最小,在84.2°~84.5°之间。
[0012] 出射光强可通过⑶式近似计算
(3) (3) 式中,Pin为入射光强,S为光纤横截面面积,Rc;、Rm分别为包层和氢敏感薄膜的光强 反射系数,受到氢敏感薄膜吸附氢气浓度的影响;分别为传播光线在所述的氢敏感 薄膜(5)之前,所述的氢敏感薄膜(5)区域内,所述的氢敏感薄膜(5)之后的反射次数。
[0013] 半导体激光器(1)发射中心波长为670nm的光波,通过第一 GRIN透镜(2)聚焦后耦 合到第一单模光纤(3)内传输,垂直入射渐变折射率光纤(4)的端面。第一单模光纤(3)的纤 芯直径为4μπι,数值孔径为0.12,相比渐变折射率光纤(4)的纤芯直径400μπι,可认为是点光 源。在渐变折射率光纤(4)中传播的纤芯模在侧边抛磨区域的边界激发包层模。根据电磁理 论,包层模入射纤芯-氢敏感薄膜(5)的交界面时,场量满足电磁场的边界条件,在氢敏感薄 膜(5)中激发一定透射深度的倏逝波。包层模的能量通过倏逝波传递给表面等离子体,引发 表面等离子共振,包层模反射光能量急剧减弱。氢敏感薄膜(5)吸附氢气浓度的变化会改变 其有效折射率(同时改变Rm),导致包层模反射回纤芯的能量改变。渐变折射率光纤(4)出射 光束经第二GRIN透镜(6)聚焦后耦合到第二单模光纤(7)内传输至光功率计(8),实时检测 出射光强值。当环境氢气浓度变化时,对应的出射光强发生改变,通过归一化出射光强的漂 移量可以检测氢气的浓度。
[0014] 本发明的有益效果是:全反射光纤中子午光线的入射角范围较大,其SPR响应曲线 比较平缓,氢气检测灵敏度受到限制。对纤芯折射率倒置分布的渐变折射率光纤而言,纤芯 中只存在两种类型的传播光线且入射角均取
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