[發明專利]基于空芯光子晶體光纖的反射式氣體傳感系統

在審

• 申請號: 201510314669.2
• 申請日: 2015-06-10
• 公開（公告）號: CN104949920A
• 公開（公告）日: 2015-09-30
• 發明（設計）人: 趙勇;張亞男
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及基于空芯光子晶體光纖的反射式氣體傳感系統，屬于微型光電子器件技術領域。

背景技術

近幾十年來，伴隨著工業的發展，排放的大量有毒有害甚至易燃易爆氣體嚴重污染了人類的生存環境[文獻1.?G.?Schurmann,?K.?Schafer,?C.?Jahn,?et?al.?The?impact?of?NO_x,?CO?and?VOC?emissions?on?the?air?quality?of?Zurich?airport[J].?Atmospheric?Environment,?2007,?41(1):?103-118.]。而對某些有毒有害氣體，必須要求能檢測到非常低的濃度。因此，實現對痕量氣體高準確度、高靈敏度的檢測具有非常重大的意義[文獻2.?L?Melo,?G.?Burton,?B.?Davies,?et?al.?Highly?sensitive?coated?long?period?grating?sensor?for?CO₂?detection?at?atmospheric?pressure[J].?Sensors?and?Actuators?B:?Chemical,?2014,?202:?294-300.]。光纖氣體傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、安全防爆、自身獨立性好、易實現遠距離傳輸等顯著優勢，在氣體檢測方面得到了良好的應用，但傳統光纖氣體傳感器的檢測靈敏度受到氣室有效吸收長度的限制，極大地限制了其進一步的發展。

空芯光子晶體光纖的包層是由一系列周期性排列的空氣孔所形成的光子晶體結構組成的，由于光子晶體的禁帶特性，將特定頻率的光局域在纖芯中傳播[文獻3.?T.?P.?Hansen,?J.?Broeng,?C.?Jakobsen,?et?al.?Air-guiding?photonic?bandgap?fibers:?spectral?properties,?macrobending?loss,?and?practical?handling[J].?Journal?of?Lightwave?Technology,?2004.?22(1):?11-15.]。利用空芯光子晶體光纖優異的光學特性和獨特的空氣纖芯結構，將其作為氣體檢測用的氣室時，不需要借助光學準直器或高反射鏡等光學等器件，不僅有助于降低光路噪聲，同時具有體積小、重量輕、易纏繞和易延長氣體有效吸收路徑等顯著優點，為設計小型化，高靈敏度，遠距離檢測的氣體傳感器提供了新的思路[文獻4.?H.?Ding,?X.?Li,?J.?Cui,?et?al.?An?all-fiber?gas?sensing?system?using?hollow-core?photonic?bandgap?fiber?as?gas?cell[J].?Instrumentation?Science?&?Technology,?2011,?39(1):78-87.]。但是，考慮到實際應用，將空芯光子晶體光纖連入光纖傳感系統需要將其與普通光纖進行耦合連接，如果采用傳統的熔接技術連接空芯光子晶體光纖與普通光纖，待測氣體將無法進入纖芯內部，雖然利用激光打孔技術在光子晶體光纖包層上打孔，使待測氣體流入纖芯中，但這同時會導致光泄露、增加光的傳輸損耗，如果采用機械對準的方法實現空芯光子晶體光纖與普通光纖兩者間的耦合，由于兩者之間會留有空隙，可以在實現耦合的同時，方便待測氣體流入纖芯中，但該方法對機械結構的穩定性以及位置的精確度要求很高，必須要設計合理的機械結構，以實現結構簡單、性能穩定、氣體填充時間短、耦合效率高的空芯光子晶體光纖測量氣室。此外，目前基于空芯光子晶體光纖的氣體傳感探頭均是透射式的，即光源發出的光從空芯光子晶體光纖的一端進入，在空芯光子晶體光纖內與待測氣體接觸作用后，再從另一端透射出去進入信號解調單元，這種方法的缺點是入射光路和出射光路需要兩根光纖，這在實際測量中，不僅會增加光纖的成本，而且不利用光信號的遠傳與控制。

基于此，本發明提出基于空芯光子晶體光纖的反射式氣體傳感系統，該探頭集光纖耦合、氣體填充、機械固定于一體，具有微型化、高耦合效率、快速填充、長吸收光程長、穩定性高、可盤繞、可彎曲等優異特性，此外，其獨特的反射結構使光在空芯光子晶體光纖氣室中可以往返傳播一次，進一步增大了光與氣體之間的有效作用距離，靈敏度更高，且易于實現獨立的探頭，入射光與反射光共用一根光纖傳輸，極大地方便了光信號的遠傳，為基于空芯光子晶體光纖氣體傳感器的遠程實時在線監測提供了一種切實可行的方法。

發明內容