[發明專利]一種反射型全光纖氫氣傳感器及其制備和測量方法

有效

• 申請號: 201310053045.0
• 申請日: 2013-02-18
• 公開（公告）號: CN103175807A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 徐飛;周峰;邱孫杰;羅煒;陸延青;胡偉
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李媛媛

技術領域

本發明涉及光電子技術領域，具體涉及光纖傳感器的研究與制備。更具體而言，涉及一種反射型全光纖氫氣傳感器及其制作方法與測量應用。

背景技術

光纖傳感是20世紀70年代問世的一門新技術，它是以光作為信息載體，以光纖作為信息傳輸介質的一種傳感技術。由于光纖傳感器相對于傳統傳感器而言具有體積小重量輕，不受電磁干擾，高靈敏度等優點，因而自20世紀70年代低損耗光纖問世以來，它逐步成為新一代傳感器的研發方向之一，展現出非常好的應用前景。近幾年來，隨著科技的進步和研究的深入，各式各樣的光纖傳感器（諸如溫度，壓力，應力，折射率，電流，電壓，氣體傳感器等）不斷被研制出來，尤其是自物聯網的概念提出以來，光纖傳感更是成為一個熱門的研究領域。

氫氣是一種重要的工業原料，在石油化工、電子工業、冶金工業、食品加工等方面有著重要的應用。同時，氫氣作為一種替代能源，不僅清潔環保，并且具有豐富的來源，因此氫氣在新能源領域的地位日益重要。但是氫氣分子的體積非常小，極易發生泄漏。空氣中氫氣濃度達到4%-74.5%遇到明火即可導致爆炸。因此，在氫氣運輸、儲存以及使用的過程中，對環境氫氣濃度進行檢測是一項十分重要和必要的工作。

發明內容

本發明的目的是：利用光子晶體光纖制備一種反射型全光纖氫氣傳感器，使其具有高靈敏度、高響應速度、穩定抗干擾、低成本等優勢。本發明的另一個目的是提供這種傳感器的制備及測量方法。

本發明傳感器的技術方案是：

一種反射型全光纖氫氣傳感器，包括單模光纖和光子晶體光纖，光子晶體光纖的一個端面以及光子晶體光纖纖芯孔洞陣列的內壁上鍍有一定厚度的金屬鈀膜；所述光子晶體光纖的另一個端面與單模光纖熔接。

所述反射型全光纖氫氣傳感器的制備方法，包括如下步驟：首先，用光纖切割刀將單模光纖一端切平，光子晶體光纖兩端切平；其次，采用鍍膜方法，在所述光子晶體光纖的一端鍍一定厚度的鈀膜，鍍膜過程中鈀顆粒為埃米量級，而光子晶體光纖空氣孔洞直徑為微米量級，因此光子晶體光纖空氣孔洞陣列中亦有一定長度的鈀膜分布；然后，利用熔接光纖的方法，將單模光纖與所述光子晶體光纖未鍍鈀膜的一端熔接起來，即為反射型全光纖氫氣傳感器。

其中所述光子晶體光纖使用長度可為0.5-10厘米，纖芯分布直徑2.5微米左右的孔洞陣列，其型號可以是LMA-8；光源為寬帶光源，可以是超連續光源，也可以是ASE光源。光子晶體光纖端面的鈀膜，采用磁控濺射鍍膜技術制備，厚度可根據使用者對響應時間的需求以及待測環境中氫氣的濃度范圍而在10-200納米間選取。

所述反射型全光纖氫氣傳感器的測量方法，包括光源、光纖環形器、光譜儀、單模光纖和所述反射型全光纖氫氣傳感器，光源輸出端通過單模光纖接光纖環形器的第一端口，光纖環形器第三端口連接所述反射型全光纖氫氣傳感器的單模光纖，光纖環形器第二端口通過另一單模光纖連接光譜分析儀；其光路為：光源輸出端的入射光經傳輸單模光纖進入光纖環形器，再經傳輸單模光纖進入氫氣傳感器的感應單元，即所述光子晶體光纖，入射光由光子晶體光纖端面處反射產生反射光，反射光經傳輸單模光纖和光纖環形器到達光譜分析儀。

本發明中的反射型全光纖氫氣傳感器，其原理為：所述光子晶體光纖中的傳輸光分為基模光信號I_core與包層模光信號I_cladding，經光子晶體光纖端面金屬鏡面反射，I_core與I_cladding干涉光譜信號被光譜儀接收；當氫氣與所述光子晶體光纖孔洞陣列中的鈀接觸生成鈀的氫化物PdH_x后，光子晶體光纖芯層有效折射率發生改變，基模光信號I_core與包層模光信號I_cladding干涉譜極小值對應波長產生移位，從而實現波長調制型全光纖氫氣傳感器的制備。系統采用全光纖條件下的測量方法，光路內無任何分立的光學元件，能夠有效克服外界振動帶來的不利影響，同時節約了材料，降低了系統成本。