[發明專利]一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器

在審

• 申請號: 201510748715.X
• 申請日: 2015-11-07
• 公開（公告）號: CN105388128A
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發明（設計）人: 包立峰;沈常宇
• 申請（專利權）人: 包立峰
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G01N21/25
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光纖氫氣傳感技術領域，具體涉及一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器。

背景技術

氫氣(H₂)同時具備高能量密度和燃燒產物無毒無害兩大突出優勢，被公認為二十一世紀最具發展潛力的二次能源。在室溫和標準大氣壓條件下，氫氣的爆炸濃度范圍非常廣(4%~74.2%)，點火能量極?。?.02mJ），強烈的易燃易爆性對氫氣檢測裝置自身的安全性，可靠性以及對超低濃度氫氣的響應能力提出了較高要求。

光學氫氣傳感器，尤其是光纖氫氣傳感器，利用光作為媒介進行氫氣濃度傳感，由于探頭不存在電學部件，具有本質防爆，靈敏度高，抗電磁干擾等優勢，近年來引起了廣泛的關注和研究。常見的光纖光柵型氫氣傳感器，需溫度補償措施抑制環境溫度波動造成的中心波長漂移，檢測精度不高的同時存在著對溫度交叉敏感的問題。

保偏光子晶體光纖（PM-PCF）是具有保偏特性的光子晶體光纖，通過纖芯周圍周期性排列的空氣孔結合應力棒在光纖內部產生統一的應力雙折射，能夠長距離地保持偏振光的偏振態，尤其是良好的溫度特性，有利于制作對溫度不敏感的光纖器件，能有效簡化儀器結構，提高裝置穩定性。

一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器，在構建的全光纖Michelson干涉儀中引入經鍍膜處理的PM-PCF作為敏感部件，具有結構簡單，靈敏度高，對環境溫度變化不敏感等優點。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器，測量干涉光譜中指定級數的波谷波長漂移量反應氫氣濃度，結構易于實現，靈敏度高，減輕環境溫度波動給氫氣濃度檢測帶來的影響。

本發明通過以下技術方案實現：一種基于PM-PCF的Michelson干涉型光纖氫氣傳感器，由寬帶光源（1），偏振控制器（2），傳輸光纖1（3），3dB耦合器（4），傳輸光纖2（5），鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6），傳輸光纖3（7），傳輸光纖4（8），光譜儀（9），恒溫氣室（10）組成，其特征在于：寬帶光源（1）和偏振控制器（2）相連，偏振控制器（2）通過傳輸光纖1（3）與3dB耦合器（4）入射端相連，3dB耦合器（4）的一個出射端通過傳輸光纖2（5）與鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端相連，另一個出射端與傳輸光纖3（7）相連；3dB耦合器（4）的透射端通過傳輸光纖4（8）與光譜儀（9）相連；鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端與傳輸光纖2（5）熔接，在PM-PCF外周上均勻濺射Pd/Ag合金薄膜；鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）和傳輸光纖3（7）的右端面分別涂覆Al反射膜，平行置于恒溫氣室（10）內。

所述的鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）長度為5cm~8cm，Pd/Ag合金薄膜的膜厚為40nm~50nm，Ag質量分數為20%~25%。

所述的鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）選用的保偏光子晶體光纖的優選型號是LMA-PM-15，工作波長在1550nm。

本發明的工作原理是：寬帶光源（1）發射中心波長1550nm的激光，通過偏振控制器（2）得到一束線偏振光，沿傳輸光纖1（3）入射3dB耦合器（4）分為兩束相同的光分別入射到傳輸光纖3（7）和沿傳輸光纖2（5）直接耦合至鍍有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）中，構成全光纖Michelson干涉儀。PM-PCF在外周上均勻濺射Pd/Ag合金薄膜作為敏感區，在Pd/Ag薄膜吸收氫氣發生體積膨脹后，擠壓包層中的空氣孔導致鍍膜區域中傳輸模式的相位改變，與分光后的另一束光出現恒定的相位差。兩束光經端面高反射率的Al反射膜反射后，在3dB耦合器（4）的透射端匯合并發生干涉，干涉光譜經傳輸光纖4（8）被光譜儀（9）接收。可知，干涉光譜漂移量與氫氣濃度之間存在對應關系，從而實現對氫氣濃度的高精度檢測。

干涉光譜中第m級波谷處兩束光之間的相位差同時受到PM-PCF參數和包層表面Pd/Ag鍍膜的影響，可以表示為

（1）

式中，整數m為干涉級數，為第m級波谷波長，、分別為PM-PCF的固有雙折射和長度；、分別為Pd/Ag合金薄膜引入的附加雙折射和鍍膜區域長度。

Pd/Ag合金薄膜中的Pd結合氫分子發生晶格體積膨脹，擠壓空氣孔發生變形，引起PM-PCF的附加雙折射和鍍膜長度變化，兩束光之間的相位差可表示為

（2）