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:10405994阅读:473来源:国知局
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] 本实用新型属于光纤氨气传感技术领域,具体设及一种基于侧边抛磨渐变折射率 光纤的氨气传感装置。
【背景技术】
[0002] 氨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,空气中的氨气含 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、高灵敏度的氨敏传 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,是氨敏传感器 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ICT6RIU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、溫度湿度等外界因素的干扰,研究潜力巨大。但SH?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),纤忍折射率满足抛物线型的梯度分布,纤忍中屯、 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,在抑制光纤中混浊现象和增加传输距 离方面有重要应用。

【发明内容】

[0005] 针对现有技术的不足,本实用新型的目的在于提供一种基于侧边抛磨渐变折射率 光纤的氨气传感装置,包层模在纤忍-氨敏感薄膜交界面发生表面等离子共振,氨敏感薄膜 吸附氨气浓度的变化改变其有效折射率,导致包层模反射回纤忍的能量改变,通过归一化 出射光强的漂移量检测氨气的浓度。
[0006] 本实用新型通过W下技术方案实现:一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氨气传 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),氨 敏感薄膜(5),第二GRIN透镜(6),第二单模光纤(7),光功率计(8),恒溫气室(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)禪合到第一单模光纤(3)纤忍,第一单模光纤(3)出射端与渐变折射率光纤(4) 入射端直接禪合相连,渐变折射率光纤(4)出射光束经第二GRIN透镜(6)禪合到第二单模光 纤(7)纤忍,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 磨后瓣射氨敏感薄膜(5)形成敏感区,渐变折射率光纤(4)与氨敏感薄膜(5)-起置于恒溫 气室(9)中。
[0007] 所述的渐变折射率光纤(4)具体为纤忍折射率倒置分布的渐变折射率光纤,纤忍 直径约为400WI1,入射端面与出射端面均经过抛光处理。
[000引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 忍,纤忍抛磨后剩余厚度为200WI1~300WI1,纤忍裸露长度为20mm;采用磁控瓣射法在裸露的 纤忍上瓣射氨敏感薄膜(5),具体为膜厚40nm~200nm的Au/Pd薄膜或Ag/Pd薄膜。
[0009] 本实用新型的工作原理是:所述的渐变折射率光纤(4)具体为纤忍折射率倒置分 布的渐变折射率光纤,由改进的化学气相沉积法制成,纤忍中屯、的折射率最低Ucenter = 1.450),沿径向递增(na=l.457),其纤忍折射率n沿径向的分布可近似为
[0010]
(1)
[0011] (1)式中,R = r/a是距离光轴的位置与纤忍半径的比值,代表纤忍内归一化位置; 系数 mi = 1.45 ,m2 =-5*1〇-6,邮= 0.004 ,IM = 0.005,邮= 0.006,邮= 0.0025,m7 = 669, Da 为包 层折射率,ni为环境介质折射率。
[0012] 早午冲:纯#祈冰的郝变折射率光纤(4)纤忍中传播满足微分方程
[001引
(2)
[0014] (2)式中,Z = z/a是传播距离与纤忍半径的比值,代表归一化传播距离;neff=1.45 为有效折射率。
[0015] 通过Runge-Kutta法求解(2)式可知,在所述的渐变折射率光纤(4)纤忍中主要存 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。两种光线在纤忍-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忍半径的比值, 在上述条件下当H=6.5mm时入射角W的范围最小,在84.2°~84.5°之间。
[0016] m射朵强巧诵讨(3)古诉似计算
[0017]
(3)
[0018] (3)式中,Pin为入射光强,S为光纤横截面面积,Re、Rm分别为包层和氨敏感薄膜的 光强反射系数,受到氨敏感薄膜吸附氨气浓度的影响;化、化、化分别为传播光线在所述的氨 敏感薄膜(5)之前,所述的氨敏感薄膜(5)区域内,所述的氨敏感薄膜(5)之后的反射次数。
[0019] 半导体激光器(1)发射中屯、波长为670nm的光波,通过第一 GRIN透镜(2)聚焦后禪 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 忍直径为化m,数值孔径为0.12,相比渐变折射率光纤(4)的纤忍直径400WH,可认为是点光 源。在渐变折射率光纤(4)中传播的纤忍模在侧边抛磨区域的边界激发包层模。根据电磁理 论,包层模入射纤忍-氨敏感薄膜巧)的交界面时,场量满足电磁场的边界条件,在氨敏感薄 膜巧)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。氨敏感薄膜(5)吸附氨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忍的能量改变。渐变折射率光纤(4)出射 光束经第二GRIN透镜(6)聚焦后禪合到第二单模光纤(7)内传输至光功率计(8),实时检测 出射光强值。当环境氨气浓度变化时,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W检测氨气的浓度。
[0020] 本实用新型的有益效果是: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,氨气检测灵敏度受到限制。对纤忍折射率倒置分布的渐变折射率光纤而言, 纤忍中只存在两种类型的传播光线且入射角均取决于H,子午光线在入射纤忍-包层交界面 时具有相同的入射角,由此能激发出
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