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