[發(fā)明專利]一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器

有效

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• 申請日: 2016-03-29
• 公開（公告）號: CN105606536B
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發(fā)明（設計）人: 包立峰;沈常宇;姚宇竹
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明屬于光纖氫氣傳感技術領域，具體涉及一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器。

背景技術

氫氣(H₂)的能量密度高，燃燒產物無毒無害，被公認為二十一世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉础Ｔ谑覝睾蜆藴蚀髿鈮簵l件下，氫氣的爆炸濃度范圍非常廣(4 %~74.2 %)，點火能量極小（0.02mJ），強烈的易燃易爆性對氫氣檢測裝置的安全性，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，由于傳感部分不存在電學部件，具有本質防爆，靈敏度高，對電磁干擾免疫等優(yōu)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，需要額外的溫度補償措施抑制中心波長的溫度漂移，檢測精度不高的同時還存在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，通過纖芯周圍的光子晶體結構結合應力棒產生統(tǒng)一的應力雙折射效應，能夠長距離地保持偏振光的偏振態(tài)同位，其良好的溫度特性，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(wěn)定性。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器，通過干涉波谷波長的漂移量反應氫氣濃度，該結構易于實現(xiàn)，靈敏度高，溫度特性優(yōu)良，能有效減輕環(huán)境溫度波動對氫氣濃度檢測帶來的不利影響。

本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：一種基于偏振光干涉的保偏光子晶體光纖氫氣傳感器，由寬帶光源（1），傳輸光纖（2），偏振控制器（3），PM-PCF（4），Pd/Ag氫敏感膜（5），二維光纖夾具（6），恒溫氣室（7），光譜儀（8）組成；寬帶光源（1）通過傳輸光纖（2）連接至偏振控制器（3），偏振控制器（3）通過傳輸光纖（2）與PM-PCF（4）左端相連，PM-PCF（4）右端通過傳輸光纖（2）與光譜儀（9）相連；其中，PM-PCF（4）的慢軸外側均勻濺射Pd/Ag氫敏感膜（5）覆蓋外周的二分之一構成氫敏感頭，二維光纖夾具（6）將PM-PCF（4）固定在恒溫氣室（8）底部。

所述的PM-PCF（4）的長度為30mm~50mm，Pd/Ag氫敏感膜（5）的鍍膜長度為20mm~30mm，膜厚為40nm~50nm，Ag質量分數(shù)為20%~40%。

所述的PM-PCF（4）選用的保偏光子晶體光纖的優(yōu)選型號是PM-1550-01，工作波長在1550nm。

本發(fā)明的工作原理是：寬帶光源（1）發(fā)射波長1500nm~1600nm的光束，通過偏振控制器（3）調整偏振態(tài)后沿傳輸光纖（2）入射PM-PCF。由于PM-PCF（4）的慢軸外側均勻濺射Pd/Ag氫敏感膜（5）并覆蓋外周的二分之一，包層表面鍍膜分布沿軸向不對稱，在Pd/Ag氫敏感膜（5）吸收氫氣發(fā)生體積膨脹后，擠壓包層內空氣孔能對快軸、慢軸的雙折射效應產生不同影響。受調制后慢軸光的偏振方向和相位發(fā)生改變，而快軸光狀態(tài)保持不變，兩個傳輸模式之間出現(xiàn)相位差并在傳輸光纖（2）內發(fā)生干涉，干涉信號沿傳輸光纖（2）被光譜儀（8）接收。由此可知，干涉光譜的漂移量由Pd/Ag氫敏感膜（5）擠壓PM-PCF（4）引入的相位差決定，而Pd/Ag氫敏感膜（5）對氫氣非常敏感，因此能夠實現(xiàn)對環(huán)境氫氣濃度的高精度傳感。

快軸光與慢軸光之間的相位差由PM-PCF自身和Pd/Ag氫敏感膜（5）的擠壓同時決定，可以表示為

（1）

式中，整數(shù)m為干涉級次，為第m級波谷波長，、分別為PM-PCF的固有雙折射和光纖長度；、分別為Pd/Ag氫敏感膜（5）引入的附加雙折射和鍍膜區(qū)域的長度。

Pd由于吸收H₂分子晶格體積發(fā)生膨脹，擠壓包層內空氣孔引起慢軸的雙折射改變，兩個傳輸模式之間的相位差變?yōu)?/p>

（2）

由（1）式和（2）式可得，第m級干涉波谷漂移量為

（3）

附加雙折射變化量決定了第m級干涉波谷漂移量，而Pd/Ag氫敏感膜（5）對氫氣非常敏感，因此能夠實現(xiàn)氫氣濃度的高精度傳感。