[實用新型]一種基于飛秒激光微加工的游標效應氫氣傳感器

有效

• 申請號: 201820082374.6
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN207675642U
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 張藝馨;徐賁;常冉
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;B23K26/362
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實用新型公開了一種基于飛秒激光微加工的游標效應氫氣傳感器，包括單模光纖和金屬薄膜，其特征在于：用飛秒激光在單模光纖纖芯上連續的刻寫兩段波導，在單模光纖表面上均勻的鍍一層氫氣敏感材料金屬薄膜。利用飛秒激光在單模光纖上連續的刻寫兩段長度相差不大的波導形成游標效應。本實用新型具有制備簡單、成本低、靈敏度高的特點，可進行氫氣測量。

技術領域

本實用新型屬于傳感器領域，具體涉及一種基于飛秒激光微加工的游標效應氫氣傳感器。

背景技術

氫氣作為一種工業原料，在石油化工、冶金工業等方面有著廣泛的應用；然而氫氣在空氣中的體積濃度在4%-75%之間極易引起爆炸，因此檢測氫氣的濃度尤為重要。傳統的氫氣傳感器基于電化學的方式探測，在使用時，可能產生電火花等危險因素，存在安全隱患，并且這類傳感器存在氣體選擇性差的缺點。光纖傳感器具有原材料資源豐富、體積小，造價低、重量輕、可靠性好、靈敏度高、抗腐蝕、電絕緣性能好、抗電磁干擾、耐高壓、防爆可繞曲。損耗低。頻帶寬等特點被人們廣泛關注。并且，它很容易與計算機網絡相連，特別適合用在易燃易爆、強電磁干擾等惡劣環境中，完成傳統的電類傳感器很難完成或不可能完成的任務。因此，光纖氫氣傳感器的研究與發展是必不可少的。

近年來，光纖氫氣傳感器因其具有抗電磁干擾，遙感和本質安全等特點被廣泛深入的研究。各種類型的光學氫氣傳感器已經被廣泛研發出來。表面等離子體共振（SPR）技術是制作光纖氫氣傳感器的一種有效的方法，其中精確控制金屬膜厚度是制作的關鍵，因此需要昂貴的設備來制作。基于光纖布拉格光柵（FBG）的氫氣傳感器由于其波長復用能力而被廣泛應用于分布式測量，但其靈敏度通常很低，約為幾十pm/%，經過拋光的FBG或使用柔性襯底技術可以增強靈敏度，但是損害了傳感器的魯棒性。基于集成光學微結構的氫氣傳感器尺寸緊湊，靈敏度高，但其制造工藝復雜。光纖干涉儀或光纖瞬逝場結構的氫氣傳感器結構簡單，制造容易。然而，為了提高傳感器的靈敏度，傳感器通常經過腐蝕的方法制得，使得纖芯直徑變細，傳感器相當脆弱。

發明內容

為了解決上述現有技術的不足，本實用新型提供一種基于飛秒激光微加工的游標效應氫氣傳感器，其具有制備簡單、靈敏度高、體積小、可靠性好、抗腐蝕、電絕緣性能好、抗電磁干擾、耐高壓、防爆可繞曲等優點。

本實用新型所采用的技術方案是：一種基于飛秒激光微加工的游標效應氫氣傳感器，其特征在于用飛秒激光在單模光纖纖芯上連續的刻寫兩段波導，在單模光纖表面上均勻的鍍一層Ag-Pd金屬薄膜。

本實用新型的有益效果是。

1. 傳感器制備過程中只需用飛秒激光在單模光纖纖芯上連續的刻寫兩段波導，同時在單模光纖的表面上均勻鍍一層氫氣敏感材料的金屬薄膜，具有制作簡單、重量輕、可重復性好、成本低等優點。

2. 傳感器的制作無需光纖熔接，不損壞光纖物理結構，制備簡單且結實。

附圖說明

下面結合附圖及具體方式對本實用新型作進一步說明。

圖1是本實用新型的光纖氫氣傳感器結構圖。

主要符號說明如下。

1-金屬薄膜；2-單模光纖纖芯；3-第一段波導；4-第二段波導。

具體實施方式

圖1中，一種基于飛秒激光微加工的游標效應氫氣傳感器包括單模光纖纖芯2和金屬薄膜1，用飛秒激光在單模光纖纖芯2上連續的刻寫第一段波導3和第二段波導4，同時在單模光纖表面上均勻的鍍一層Ag-Pd合金金屬薄膜1。

該傳感器工作流程：飛秒激光刻寫波導，改變了纖芯的折射率，當光信號進入單模光纖纖芯2中，一部分光進入第一段波導3，另一部分光繼續在單模光纖纖芯2中傳輸，這兩束光在第一段波導3的末端匯合，波導與纖芯的折射率不同，傳播速度不同，產生了光程差。匯合光在單模光纖纖芯2中繼續傳播，一部分光進入第二段波導4，另一部分光繼續在單模光纖纖芯2傳輸，這兩束光在第二段波導4的末端再次匯合，形成了游標效應。均勻鍍在單模光纖表面的氫氣敏感材料金屬薄膜1吸收氫氣，導致體積膨脹作用在傳感器上，當氫氣濃度發生改變，光纖有效折射率發生改變，傳輸譜波峰漂移，通過測量輸出中心波長的漂移量即可實現相應氫氣濃度的傳感測量。馬赫-曾德爾干涉儀的自由光譜范圍（FSR）可以表示為：，L表示波導的長度，表示波導和纖芯有效折射率的差值。對于游標效應，靈敏度的放大倍數可以表達為：，根據公式可以得出，游標效應可以使靈敏度增大數十倍。