一种基于空芯光纤熔球的气体传感器的制作方法

本发明涉及气体检测，更具体的说是涉及一种基于空芯光纤熔球的气体传感器。

背景技术：

1、激光红外光谱吸收技术除了可用于近海海面、大气环境等区域内气体浓度的遥测感知，还可实现对特定气体浓度和组分的原位检测和分析。通过将光纤传感技术和激光红外激光技术结合实现气体测量，可以极大地简化气体光谱的检测系统。空芯光纤利用光子禁带效应传输光，其空气孔结构可以将95％以上的光能量限制在空芯内传输，为气体激光吸收光谱检测提供了天然气池，可以基于吸收光谱、声光光谱等机理实现气体探测。通过对空芯结构进行气体填充，可以保证气体和入射光充分作用，得到高灵敏的气体传感器件。

2、目前，基于空芯光纤的高灵敏度气体浓度mzi传感器结构主要集中于单模光纤和空芯光纤的直熔结构。这种结构的高阶模式是通过空芯光纤本身对光的发散以及单模和空芯光纤纤芯模式的不匹配产生，因此光的耦合效率较低、传感器灵敏度不高。

3、因此，如何激发高阶模式以便于实现高效的光耦合提高传感器灵敏度是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，采用熔球结构实现激光高阶模的激发的同时提供了相位匹配调节，进而有助于提高光的耦合效率以及传感器灵敏度。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，包括光源、散射组件和分析装置；所述光源发射激光至所述散射组件，与所述散射组件内的待测气体发生散射，所述分析装置接收散射后的光谱，分析待测气体浓度；

4、所述散射组件包括第一单模光纤、空芯光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤和所述第二单模光纤分别连接于所述空芯光纤的两端；

5、所述第一单模光纤和所述空芯光纤的连接端具有第一熔球，用于将射向所述第一熔球的激光激发成高阶模式。

6、进一步的，所述第二单模光纤和所述空芯光纤的连接端具有第二熔球，用于将高阶模激光和基膜激光耦合至所述第二单模光纤。

7、进一步的，所述第一熔球和所述第二熔球均由不同材料的光纤熔合而成。

8、进一步的，所述空芯光纤的表面挖设有气孔，用于供待测气体流通。

9、进一步的，所述气孔设置在与所述第一熔球和/或所述第二熔球相邻接。

10、进一步的，所述气孔包括进气口和出气口，所述进气口用于通入待测气体，所述出气口用流出待测气体。

11、一种基于空芯光纤熔球的气体传感器制备方法，包括以下步骤：

12、将第一单模光纤的一端与光源连接，另一端与空芯光纤对齐；

13、采用熔接机对第一单模光纤和空芯光纤的对齐位置进行放电，形成第一熔球；

14、所述空芯光纤通过第二单模光纤与分析装置连接。

15、进一步的，步骤还包括：采用熔接机对所述空芯光纤和所述第二单模光纤的连接位置进行放电，形成第二熔球。

16、进一步的，在进行放电时，通过设置放电参数，控制所述第一熔球和/或所述第二熔球的形状大小。

17、进一步的，所述放电参数包括放电强度范围、放电时间、放电次数和放电位置中的一种或多种。

18、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，光源输出的入射光通过第一单模光纤进入第一熔球结构后，入射到球体的时候光进行两部分传输，一部分经过球心沿着纤芯方向直线传输；另一部分光由于球体发生散射进入包层，实现高阶模式激发。需要说明的是，由于空芯光纤球心区域折射率小于包层，因此相比于单模光纤纤芯折射率，经过空芯光纤的光其速度更快。因此，相比于传统的花生型单模光纤和单模光纤熔球，本发明的熔球结构由于球型折射率分布不均匀，不仅有利于高阶模的激发，更有利用球心传输的光和包层模传输的光产生大的光程差而发生干涉。此现象解决了在实际应用中，为了保持高灵敏度的情况下，制备体积小传感器的难题。整个过程中，由于基模和高阶模式之间存在光程差，满足相位匹配条件，提高光的耦合效率从而在光谱分析装置上产生干涉光谱，通过光谱上不同干涉谷波长的偏移来实现对甲烷浓度的测量，使灵敏度也随之提升。

技术特征：

1.一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，其特征在于，包括光源、散射组件和分析装置；所述光源发射激光至所述散射组件，与所述散射组件内的待测气体发生散射，所述分析装置接收散射后的光谱，分析待测气体浓度；

2.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，其特征在于，所述第二单模光纤和所述空芯光纤的连接端具有第二熔球，用于将高阶模激光和基膜激光耦合至所述第二单模光纤。

3.根据权利要求2所述的一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，其特征在于，所述第一熔球和所述第二熔球均由不同材料的光纤熔合而成。

4.根据权利要求2所述的一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，其特征在于，所述空芯光纤的表面挖设有气孔，用于供待测气体流通。

5.根据权利要求4所述的一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，其特征在于，所述气孔设置在与所述第一熔球和/或所述第二熔球相邻接。

6.根据权利要求4所述的一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，其特征在于，所述气孔包括进气口和出气口，所述进气口用于通入待测气体，所述出气口用流出待测气体。

7.一种基于空芯光纤熔球的气体传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于空芯光纤熔球的气体传感器制备方法，其特征在于，步骤还包括：采用熔接机对所述空芯光纤和所述第二单模光纤的连接位置进行放电，形成第二熔球。

9.根据权利要求8所述的一种基于空芯光纤熔球的气体传感器制备方法，其特征在于，在进行放电时，通过设置放电参数，控制所述第一熔球和/或所述第二熔球的形状大小。

10.根据权利要求9所述的一种空芯关系熔球的气体传感器制备方法，其特征在于，所述放电参数包括放电强度范围、放电时间、放电次数和放电位置中的一种或多种。

技术总结
本发明公开了一种基于空芯光纤熔球的气体传感器，包括光源、散射组件和分析装置；所述光源输入至所述散射组件，与所述散射组件内的待测气体发生散射，所述分析装置接收散射后的光谱，分析待测气体浓度；所述散射组件包括第一单模光纤、空芯光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤和所述第二单模光纤分别连接于所述空芯光纤的两端；所述第一单模光纤和所述空芯光纤的连接端具有第一熔球，用于将射向所述第一熔球的激光激发成高阶模式；本发明采用熔球结构实现激光高阶模的激发的同时提供了相位匹配调节，进而有助于提高光的耦合效率以及传感器灵敏度。

技术研发人员：刘润泽,刘吉龙,张运生,毕晶,付榕
受保护的技术使用者：苏州安易得安全科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14