CN102279154B - 基于空芯光子晶体光纤的光纤连接低压气室装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感和光纤气体痕量检测领域。为解决传统吸收型光纤气体检测技术中，单程气室由于受气体池长度的限制，导致吸收距离短，探测灵敏度低，长程气室由于气室内光学结构复杂，稳定性差等缺点，本发明采用的技术方案是：基于空芯光子晶体光纤的光纤连接低压气室装置，由密封气室和光纤连接光路两部分构成：密封金属气室分主体气室和封盖两部分，主体气室采用直金属柱掏出圆柱形空芯腔；光纤连接光路由单模光纤-光子晶体光纤-多模光纤连接结构组成；还包括真空泵用于将主体气室抽真空。本发明主要应用于光纤气体痕量检测。

Description

基于空芯光子晶体光纤的光纤连接低压气室装置

技术领域

本发明涉及光纤传感和光纤气体痕量检测领域，具体讲涉及基于空芯光子晶体光纤的光纤连接低压气室装置。

背景技术

在光谱吸收型光纤气体检测技术中，气室的有效吸收距离是决定系统检测灵敏度的关键参数之一。传统的气室一般分为单程气室和长程气室。单程气室通常由一对光纤准直器构成，由于光纤准直器工作距离一般不超过50cm，使得气体的有效吸收距离很短，因此极大地限制了系统测试灵敏度。另一方面，单程气室为了提高吸收距离导致气室体积大，使用起来不够灵活，不利于工业中现场活动利用。长程气室主要有怀特型气室，Herriott型气室和直角棱镜气室等。长程气室主要依靠特殊的光路设计使得光线在气室内多次往复反射，从而增加了气体的有效光程。长程气室相比于单程气室虽然体积小，有效吸收距离长，但结构较复杂，调试困难，稳定性差。另外，由于光在气室内多次反射，会造成较大的传输损耗。

空芯光子晶体光纤是一种新型的传输光纤，其导光机制与普通的折射率导引型和全内反射型光纤都不同。空芯光子晶体光纤纤芯为空气孔结构，包层是有周期排列的空气柱组成的二维光子晶体结构。该结构能够支持包层的光子带隙内某个波长的模式在空气孔芯区中传播，并且可以实现95％以上光被束缚在空气纤芯中。图一是丹麦NKT公司商品化生产的两种1.5微米波段空心光子晶体光纤截面图。其中a中心区域去掉7个薄壁毛细管，其纤芯空气孔直径10微米，传输损耗在中心波长1.55微米可低于0.03db/m.b是将中心区域抽去19个石英管制作的光子带隙光纤，其中心空气孔直径为10微米，在1.57微米处得损耗已经可以降低至0.02dB/m。

空芯光子晶体光纤独特的导光机制和很大空芯区域使得该光纤在研究气体与光相互作用方面具有很大应用前景。光纤具有一定范围内可弯曲使用，体积小等优点，这为解决光谱吸收型光纤气体检测技术中单程气室体积大灵敏度低，长程气室结构复杂，稳定性差的缺点，采用新型空芯光纤做气室的全光纤吸收型气体检测不失为一种理想途径。就目前发展趋势看，空芯光子晶体光纤在气体光谱测量，痕量检测，以及气体分子非线性光学现象研究上应用十分广泛。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于，解决传统吸收型光纤气体检测技术中，单程气室由于受气体池长度的限制，导致吸收距离短，探测灵敏度低，长程气室由于气室内光学结构复杂，稳定性差等缺点。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于空芯光子晶体光纤的光纤连接低压气室装置，由密封气室和光纤连接光路两部分构成：

密封金属气室分主体气室和封盖两部分，主体气室采用直金属柱掏出圆柱形空芯腔，气室两侧各加一个光纤连接窗口，光纤连接窗口中塞入密封橡胶塞，封盖为底面直径20cm，高1cm的主体同材质金属薄盖，封盖与主体之间加密封橡皮圈，螺丝固定，封盖上镶有气体输出、输入气阀；

光纤连接光路由单模光纤-光子晶体光纤-多模光纤连接结构组成，单模光纤跳线和多模光纤跳线经光纤连接窗口橡胶塞穿入主体气室，空芯光子晶体光纤两段加有裸光纤适配器并缠绕在主体气室内，在主体气室中单模光纤跳线与光子晶体光纤采用陶瓷芯光纤活动链接器来连接，光子晶体光纤端面与单模光纤端面之间留出10-20微米空隙，陶瓷芯留有缝隙，可供气体进入空芯光子晶体光纤端面气孔；

还包括真空泵用于将主体气室抽真空。

主体气室是用直径底面20cm高10cm的金属柱掏出底面直径18cm，高9cm的圆柱形空芯腔。

本发明具有如下技术效果：采用光子晶体光纤光路的光纤连接低压气室，光纤体积小，可环绕，可以实现十米的有效吸收距离，有利于提光纤气体检测技术的检测度。光纤连接结构简单，安装调试容易，适合工业现场或实验室现场灵活使用。金属密封气室密封性好，耐低压，可达到小于低于10^-3pa低压条件。

附图说明

图1.(a)为HC-1550-02空芯光子晶体光纤端面图。

(b)HC19-1550-01空芯光子晶体光纤感端面。

图2.为基于空芯光子晶体光纤的光纤光路低压气室结构图。其中，1为普通单模光纤，5为普通多模光纤，6为金属密封气室，7为气体输出(入)口气阀。

图3.为气室内光子晶体光纤与普通单模光纤连接示意图。其中1为普通单模光纤。2为光子晶体光纤。3为陶瓷芯光纤活动连接器。4为裸光纤适配器。

具体实施方式

基于空芯光子晶体光纤的光纤连接低压气室。它包括：普通1.55um单模光纤1、光子晶体光纤2，光纤活动连接器3，裸光纤适配器4，普通1.55um多模光纤5，密封金属气室6气体输入(出)气阀7。光子晶体光纤连接低压气室的特点是：光子晶体光纤光路取代了传统气室几何光路，由于光纤可以环绕，可以克服传统单程气室受工作距离限制，导致气体检测灵敏度受限制的缺点.与长程气室相比，光纤光路比几何具有抗干扰能力强，传输损耗小，工作稳定性好等优点，可以克服传统长程气室结构复杂，调试困难，稳定性差的缺点.光纤连接气室可活动连接或熔接到光纤气体检测光路中，激光由单模光纤2接入气室，在气室内与光子晶体光纤活动链接，传过光子晶体光纤后在气室内耦合进入多模光纤，再由多模光纤输出气室。密封气室采用金属材质，采用圆柱几何设计，直径为10cm-20cm，高度为15cm，密封气室盖附有气体输出(入)气阀，密封气室附有光纤连接口。待测气体经气体输出(入)阀充入密封气室，经光子晶体光纤两端气孔进入光子晶体光纤中心空气孔。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

整个光子晶体光纤光路光纤连接气室由密封气室和光纤连接光路两部分构成如图2：

密封金属气室分主体气室和封盖两部分。主体气室采用整块金属掏空技术，用直径底面20cm高10cm的金属柱掏出底面直径18cm，高9cm的圆柱形空芯腔，这样可以保证气室的气密性。气室两侧各加一个光纤连接窗口，光纤连接窗口中塞入密封橡胶塞，以保证密封其实的气密性。封盖为底面直径20cm，高1cm的主体同材质金属薄盖。封盖与主体之间加密封橡皮圈，螺丝固定。封盖上镶有气体输出(入)气阀。

光纤连接光路由单模光纤-光子晶体光纤-多模光纤连接结构组成。单模光纤跳线和多模光纤跳线经光纤连接窗口橡胶塞穿入密封气室。空芯光子晶体光纤两段加有裸光纤适配器并缠绕在密封气室内。在密封气室中单模光纤跳线与光子晶体光纤采用陶瓷芯光纤活动链接器来连接(图3)。光子晶体光纤端面与单模光纤端面之间留出10-20微米空隙。陶瓷芯留有缝隙，可供气体进入空芯光子晶体光纤端面气孔。整个单模光纤-空芯光子晶体光纤-多模光纤连接结构的连接损耗小于4dB.

使用时，首先将真空泵与气室出(入)口气阀连接，将密封气室抽真空后，关闭气阀，移走真空泵。然后将待测气体样品由气体输出(入)口气阀注入密封气室。再连接真空泵，将气室抽到所需低压。最后将光子晶体光纤光纤连接气室接入光纤气体检测系统中。

Claims (2)

1.一种基于空芯光子晶体光纤的光纤连接低压气室装置，其特征是，由密封气室和光纤连接光路两部分构成：

密封气室分主体气室和封盖两部分，主体气室采用直金属柱掏出圆柱形空芯腔，主体气室两侧各加一个光纤连接窗口，光纤连接窗口中塞入密封橡胶塞，封盖为底面直径20cm，高1cm的与主体气室同材质金属薄盖，封盖与主体气室之间加密封橡皮圈，螺丝固定，封盖上镶有气体输出、输入气阀；

光纤连接光路由单模光纤-空芯光子晶体光纤-多模光纤连接结构组成，单模光纤跳线和多模光纤跳线经光纤连接窗口中的密封橡胶塞穿入主体气室，空芯光子晶体光纤两端加有裸光纤适配器并缠绕在主体气室内，在主体气室中单模光纤跳线与空芯光子晶体光纤采用陶瓷芯光纤活动连接器来连接，空芯光子晶体光纤端面与单模光纤端面之间留出10-20微米空隙，陶瓷芯光纤活动连接器的陶瓷芯留有缝隙，可供气体进入空芯光子晶体光纤端面气孔；

还包括真空泵用于将主体气室抽真空。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，主体气室是用底面直径20cm高10cm的金属柱掏出底面直径18cm，高9cm的圆柱形空芯腔。

Images