一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器的制造方法
【技术领域】
[00011 本实用新型属于光纤氢气传感技术领域，具体涉及一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器。
【背景技术】
[0002] 氢气(H2)同时具备高能量密度和燃烧产物无毒无害两大突出优势，被公认为二十 一世纪最具发展潜力的二次能源。在室温和标准大气压条件下，氢气的爆炸浓度范围非常 广(4 %~74.2 %)，点火能量极小(0.02mJ)，强烈的易燃易爆性对氢气检测装置自身的安全 性，可靠性以及对超低浓度氢气的响应能力提出了较高要求。
[0003]光学氢气传感器，尤其是光纤氢气传感器，利用光作为媒介进行氢气浓度传感，由 于探头不存在电学部件，具有本质防爆，灵敏度高，抗电磁干扰等优势，近年来引起了广泛 的关注和研究。常见的光纤光栅型氢气传感器，需温度补偿措施抑制环境温度波动造成的 中心波长漂移，检测精度不高的同时存在着对温度交叉敏感的问题。
[0004]保偏光子晶体光纤(PM-PCF)是具有保偏特性的光子晶体光纤，通过纤芯周围周期 性排列的空气孔结合应力棒在光纤内部产生统一的应力双折射，能够长距离地保持偏振光 的偏振态，尤其是良好的温度特性，有利于制作对温度不敏感的光纤器件，能有效简化仪器 结构，提高装置稳定性。
[0005]一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，在构建的全光纤Michelson干涉仪中引入经镀膜处理的PM-PCF作为敏感部件，具有结构简单，灵敏度高，对环境温度变 化不敏感等优点。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于PM-PCF的Michelson 干涉型光纤氢气传感器，测量干涉光谱中指定级数的波谷波长漂移量反应氢气浓度，结构 易于实现，灵敏度高，减轻环境温度波动给氢气浓度检测带来的影响。
[0007] 本实用新型通过以下技术方案实现:一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢 气传感器，由宽带光源（1)，偏振控制器(2)，传输光纤1(3)，3dB親合器(4)，传输光纤2(5)， 镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)，传输光纤3(7)，传输光纤4(8)，光谱仪(9)，恒温气室（10)组成， 其特征在于：宽带光源（1)和偏振控制器(2)相连，偏振控制器(2)通过传输光纤1(3)与3dB 親合器(4)入射端相连，3dB親合器(4)的一个出射端通过传输光纤2 (5)与镀有Pd/Ag薄膜 PM-PCF(6 )的左端相连，另一个出射端与传输光纤3 (7 )相连;3dB耦合器(4 )的透射端通过传 输光纤4 (8 )与光谱仪(9 )相连;镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF( 6 )的左端与传输光纤2 (5 )熔接，在 PM-PCF外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜;镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF( 6 )和传输光纤3 (7 )的右端 面分别涂覆A1反射膜，平行置于恒温气室（10)内。
[0008] 所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)长度为5cm~8cm，Pd/Ag合金薄膜的膜厚为40nm~ 50nm，Ag质量分数为20%~25%〇
[0009] 所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)选用的保偏光子晶体光纤的优选型号是LMA-PM-15,工作波长在1550nm〇
[0010]本实用新型的工作原理是：宽带光源（1)发射中心波长1550nm的激光，通过偏振控 制器(2)得到一束线偏振光，沿传输光纤1(3)入射3dB親合器(4)分为两束相同的光分别入 射到传输光纤3(7)和沿传输光纤2(5)直接耦合至镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)中，构成全光纤 Michelson干涉仪。PM-PCF在外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜作为敏感区，在Pd/Ag薄膜吸收 氢气发生体积膨胀后，挤压包层中的空气孔导致镀膜区域中传输模式的相位改变，与分光 后的另一束光出现恒定的相位差。两束光经端面高反射率的A1反射膜反射后，在3dB耦合器 (4 )的透射端汇合并发生干涉，干涉光谱经传输光纤4 (8 )被光谱仪(9 )接收。可知，干涉光谱 漂移量与氢气浓度之间存在对应关系，从而实现对氢气浓度的高精度检测。
[0011]干涉光谱中第m级波谷处两束光之间的相位差同时受到PM-PCF参数和包层表面Pd/Ag镀膜的影响，可以表示为
[0012]
[0013]式中，整数m为干涉级数，为第m级波谷波长，马、！〇分别为PM-PCF的固有双折 射和长度；、^财分别为Pd/Ag合金薄膜引入的附加双折射和镀膜区域长度。
[0014]Pd/Ag合金薄膜中的Pd结合氢分子发生晶格体积膨胀，挤压空气孔发生变形，引起 PM-PCF的附加双折射和镀膜长度变化，两束光之间的相位差^可表示为
[0015]
[0016]式中，.I为漂移后第m级波谷波长，1%；、分别为Pd/Ag合金薄膜引入的附 加双折射变化量和镀膜长度变化量。考虑到ijy的量级为50~80mm，的量级约为10-
5mm，相位差沪的改变量主要来自于双折射的变化，镀膜长度变化忽略不计。因此，（2)式改 写为
[0017] (3)〇
[0018]对于光纤Michelson干涉仪，由于传输光两次经过镀膜区域，干涉光的相位差应是 两倍，结合(1)式和(3)式，可得第m级波谷波长漂移量为
[0019]
(4)
[0020]附加双折射变化量对应环境中氢气浓度，决定了第m级波谷波长漂移量 1?，实现了对氢气浓度的高精度检测。
[0021]本实用新型的有益效果是：（1)选用温度特性优良的PM-PCF制作对温度不敏感的 光纤氢气传感器，无需温度补偿环节，有效简化仪器结构，节约制作成本;（2)Ag能有效抑制 Pd结合氢分子发生泛相变，稳定金属晶格结构，Pd/Ag合金缓解Pd涂层表面起泡、层错现 象，提高敏感膜的机械性能，延长装置使用寿命;（3)该传感器体积小，探头式结构有利于构 建分布式测量，抗电磁干扰，灵敏度优于光纤光栅型氢气传感器。因此，本实用新型具有结 构简单，灵敏度高，有效抑制环境温度波动干扰检测等优点，为氢气浓度在线监测提供了一 种切实可行的方案。
【附图说明】
[0022]图1是一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器的系统原理图。
[0023]图2是一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器中传感头的结构示意 图。
[0024]图3是一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器中镀膜区域的横截面 示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图与【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细描述。
[0026]图1所示一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源（1)，偏 振控制器(2)，传输光纤1 (3)，3dB耦合器(4)，传输光纤2(5)，镀有