CN102608071A - 基于飞秒激光微加工空芯pbgf写入lpg的m-z型氢气传感头 - Google Patents

Abstract

基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：由空芯PBGF(1)、钯合金膜(3)和第二LPG(4)组成；在一段空芯PBGF的两端采用飞秒激光分别刻写第一LPG(2)和第二LPG(4)，在第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF(1)表面旋转镀钯合金膜(3)；当光从空芯PBGF(1)的一端的纤芯中传输经过第一LPG(2)时，第一LPG(2)产生多个包层模进入空芯PBGF(1)的包层，而钯合金膜(3)能感受外界的氢气浓度的变化而产生表面等离子波，从而影响空芯PBGF(1)的包层模的强度变化，当这些包层模进入第二LPG(4)时，第二LPG(4)将这些包层模耦合进空芯PBGF(1)的纤芯，与在纤芯中的光进行干涉，形成一个M-Z干涉结构，通过监测干涉条纹的变化获得外界氢气浓度及变化情况，该传感头具有结构简单、灵敏度高等特点，适合于各种环境下的氢气浓度检测。

Description

基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体来说，本发明涉及一种基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头。

背景技术

氢气是一种无污染清洁能源，通过氢气的燃烧可转换成电能或其他能量，而其反应产物只是水汽，无大气无污染，对于建设未来“低碳社会”具有重要的价值；因此世界上很多国家，包括美国、日本、德国等都已把氢能源的开发利用作为其国家战略发展任务，并开始大力发展“氢能经济”。我国国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出要重点开展氢能源的开发和利用。但氢气是一种易燃、易爆的气体，在室温和标准大气压下，气体中的氢气浓度达到4％时就有可能发生爆炸。因此氢气浓度的实时传感监测是氢气使用和开发过程中不可或缺的安全保障措施。

近年来，光纤氢气传感技术发展迅速。与传统的氢气传感技术相比，光纤氢气传感利用光纤作为传感介质，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、耐久性好、传输距离远、无电操作等优点，适合在危险工作环境下的远程、无人氢气单点、多点及分布式传感检测。虽然光纤氢气传感器有上述诸多优点，但还存在许多问题，如：氢敏感膜的制备及工艺、传感器的结构及优化以及寿命和检测精度等与实际需求还有一定距离，有待深入研究。

本发明提出利用飞秒激光在空芯带隙型光子晶体光纤(PBGF)上微加工两个相隔一定距离的长周期光纤光栅(LPG)，构建一个微结构马赫曾德型(M-Z)干涉仪，并在空芯PBGF侧面镀氢气敏感的钯(Pd)合金膜，利用表面等离子共振(SPR)来实现氢气的传感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头。通过以下技术方案实现：

基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：由空芯PBGF(1)、和第二LPG(4)组成；在一段空芯PBGF的两端采用飞秒激光分别刻写第一LPG(2)和第二LPG(4)，在第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF(1)表面旋转镀钯合金膜(3)。

所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：采用飞秒激光刻写空芯PBGF，刻写方式采用正对着纤芯刻写或者偏离纤芯刻写，刻写深度范围为空芯PBGF直径的1/2～3/5。

所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：第一LPG(2)和第二LPG(4)的周期范围为200～800微米。

所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF的长度范围为1毫米～10厘米。

所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF上镀膜的长度范围为1毫米～10厘米；钯合金膜(3)的厚度范围为0.1～2微米。

所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：钯合金膜(3)的化学成分为Pd/PVDF或者Pd/WO₃或者Pd-Au或者Pd-Ag。

本发明的原理是：采用飞秒激光正对纤芯中心打孔(正孔)与偏离纤芯中心打孔(偏孔)两种方法在空芯PBGF上相隔一定距离写入两个LPG。LPG的写入破坏了该段空芯PBGF的带隙效应，使得纤芯基模的能量部分耦合到包层膜，当此包层膜遇到第二个同样的LPG时，包层膜能量又重新耦合进纤芯，与一直在光纤芯里传输的基膜发生干涉，干涉后的强度分布I可由如下关系式表示：

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \left(\mathrm{\Φ}\right)---\left(1\right)$

其中，I₁为在空芯PBGF纤芯中传输光的光强，I₂为在包层中传输光的光强，Φ为在纤芯与包层中传输后的相位差，其值为：

Φ＝2π(n_core-n_cladding)L/λ                            (2)

(2)式中n_core为纤芯的有效折射率，n_cladding为包层的有效折射率，L为组成M-Z干涉仪干涉臂的长度，λ为输入光的中心波长。同时表面等离子波的有效折射率表达式为

$N_{\mathrm{SPR}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_M{n}_s^2}{{\mathrm{\ϵ}}_M+n_s^2}}---\left(3\right)$

其中ε_M为所镀金属膜的介电常数，n_s为金属镀层外环境(气体或液体)的折射率。当某阶包层模的有效折射率与表面等离子波的有效折射率匹配时(N_{eff(cladding)}＝N_SPR)，该阶包层模上会产生表面等离子共振。在由空芯PBGF构成的微结构M-Z干涉仪包层外侧镀钯合金薄膜，如图2所示，钯合金膜在吸收了氢气后其机械性能和折射率等物理性质都会发生变化，表面等离子体波的有效折射率会发生改变。根据电磁理论，当包层中的光在两种介质的交界面上入射时，其场量应满足电磁场的边界条件，在第二层介质中一定存在且有一定透射深度的透射场。当氢敏介质吸氢后其物理性质会发生变化，从而影响了对光波的吸收，反映为光纤包层有效折射率的变化。钯合金膜吸附氢气浓度的变化会改变其有效折射率，当包层中的光与钯合金膜相互作用时，包层的有效折射率也会随钯合金膜的有效折射率的改变而改变。因此，钯合金膜吸收氢气之后，会使纤芯和包层的有效折射率差发生改变，通过检测干涉条纹的变化可以还原待测氢气的浓度信息。

本发明的有益效果是：采用在空芯PBGF应用飞秒激光写入的LPG具有结构简单、精密的特点；同时通过在空芯PBGF表面镀钯合金膜，利用表面等离子共振以及M-Z干涉原理来检测氢气浓度，具有精度高、灵敏度高等特点；另外，由于采用的是空芯PBGF，不需要做额外的温度补偿。

附图说明

图1为基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头示意图；

图2为飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的LPG显微图；

图3为飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的透射光谱图；

图4为基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头传光示意图。

具体实施方式

现结合本发明的实施实例作进一步说明：

实施实例1：如图1所示，基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：由空芯PBGF(1)、和第二LPG(4)组成；在一段空芯PBGF的两端采用飞秒激光分别刻写第一LPG(2)和第二LPG(4)，在第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF(1)表面旋转镀钯合金膜(3)。

采用飞秒激光刻写空芯PBGF，刻写方式采用正对着纤芯刻写，刻写深度为空芯PBGF直径的1/2，如图2所示。第一LPG(2)和第二LPG(4)的周期为400微米，第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF的长度为3厘米。第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF上镀膜的长度为3厘米；钯合金膜(3)的厚度为1微米；钯合金膜(3)的化学成分为Pd-Au。第一LPG(2)和第二LPG(4)透射光谱如图3所示，随着刻写的周期数即刻写的孔的个数增加，该透射光谱的光谱深度即损耗也增加；图4为基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头传光示意图，当光从空芯PBGF(1)的一端的纤芯中传输经过第一LPG(2)时，第一LPG(2)产生多个包层模进入空芯PBGF(1)的包层，而钯合金膜(3)能感受外界的氢气浓度的变化而产生表面等离子波，从而影响空芯PBGF(1)的包层模的强度变化，当这些包层模进入第二LPG(4)时，第二LPG(4)将这些包层模耦合进空芯PBGF(1)的纤芯，与在纤芯中的光进行干涉，形成一个M-Z干涉结构。钯合金膜吸收氢气之后，会使纤芯和包层的有效折射率差发生改变，通过检测干涉条纹的变化可以检测待测氢气的浓度信息。

Claims (6)

1.基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：由空芯PBGF(1)、和第二LPG(4)组成；在一段空芯PBGF的两端采用飞秒激光分别刻写第一LPG(2)和第二LPG(4)，在第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF(1)表面旋转镀钯合金膜(3)。

2.根据权利要求1所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：采用飞秒激光刻写空芯PBGF，刻写方式采用正对着纤芯刻写或者偏离纤芯刻写，刻写深度范围为空芯PBGF直径的1/2～3/5。

3.根据权利要求1所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：第一LPG(2)和第二LPG(4)的周期范围为200～800微米。

4.根据权利要求1所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF的长度范围为1毫米～10厘米。

5.根据权利要求1所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：第一LPG(2)和第二LPG(4)之间的空芯PBGF上镀膜的长度范围为1毫米～10厘米；钯合金膜(3)的厚度范围为0.1～2微米。

6.根据权利要求1所述基于飞秒激光微加工空芯PBGF写入LPG的M-Z型氢气传感头，其特征在于：钯合金膜(3)的化学成分为Pd/PVDF或者Pd/WO₃或者Pd-Au或者Pd-Ag。

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