CN106248622B - 一种基于pcf空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器，由宽带光源，偏振控制器，光纤环行器，单模光纤，PCF空气腔，倾斜光纤光栅，氧化石墨烯薄膜，第一光谱仪，第二光谱仪组成。倾斜光纤光栅前端熔接上一段PCF，利用HF酸对PCF内空气孔进行腐蚀在光纤内部形成内壁光滑的六边形空气腔，将氧化石墨烯薄膜均匀地镀在倾斜光纤光栅的表面，从而构成一种结构新颖的相对湿度传感器。氧化石墨烯薄膜吸附和释出水分子的过程中，薄膜折射率发生变化，结合倾斜光纤光栅对光纤表面折射率变化高度敏感的特性，实现相对湿度测量。该发明结构紧凑、灵敏度高，有效消除湿度传感过程中的温度交叉敏感问题，具有一定的实际应用价值。

Description

一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器
技术领域
本发明属于光纤湿度传感技术领域，具体涉及一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器。
背景技术
目前，以机械式和电化学式湿度计为主的湿度监测手段，并不能满足核工业和电力传输业中高温高压、信号长距离传输、强电磁干扰条件下湿度传感的实际需求。光纤湿度传感器摆脱了传统机械/电学湿度传感器的框架，创新地以光纤为载体，全面取代了复杂的机械结构，近年来引起了广泛的关注和研究。
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)按照导光原理可分为折射率引导型和光子带隙型两种，具有无截止的单模特性，灵活可控的色散特性和优异的双折射特性等。目前，PCF的应用研究己覆盖到通信、传感、微加工、非线性光学，乃至医药、环境、石化等众多科技领域。
倾斜光纤光栅(Tilted Fiber Bragg Grating，TFBG)是栅平面与光轴存在一定夹角的特殊短周期光栅，该特殊的结构能够有效激励对光纤表面环境高度敏感的包层模，兼具FBG与LPG的优点，同时具有低热敏交叉性和强烈的偏振依赖特性，在光纤传感领域和解决光纤光栅交叉敏感问题等方面获得较多的关注。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器，对PCF进行腐蚀处理在其内部构建六边形空气腔，以倾斜光纤光栅表面的氧化石墨烯作为湿度敏感介质，形成一种结构新颖的基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度光纤传感器。该氧化石墨烯薄膜吸附和释出水分子的过程中，相应的薄膜折射率发生变化，结合倾斜光纤光栅对光纤表面环境折射率高度敏感的特性实现相对湿度测量的目的。该新型传感器具有结构紧凑、灵敏度高，温度特性优良等优点，有效解决湿度传感过程中的温度交叉敏感问题。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，PCF空气腔(5)，倾斜光纤光栅(6)，氧化石墨烯薄膜(7)，第一光谱仪(8)，第二光谱仪(9)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；单模光纤(4)，PCF空气腔(5)，倾斜光纤光栅(6)和氧化石墨烯薄膜(7)构成了湿敏感探头，其中氧化石墨烯薄膜(7)均匀镀在倾斜光纤光栅(6)的表面；光纤环行器(3)的c端口连接至第一光谱仪(8)，倾斜光纤光栅(6)的右端连接至第二光谱仪(9)。
所述的PCF空气腔(5)长度为3mm～4mm，所用PCF的优选型号是LMA-10。
所述的倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为6°～10°，栅区长度为8mm～12mm。
所述的氧化石墨烯薄膜(7)的膜厚为1μm～1.5μm，所用氧化石墨烯的片径大于500nm。
本发明的工作原理是：单模光纤(4)的纤芯直径约为8μm，光能量集中在纤芯中传播。宽带光源(1)和偏振控制器(2)相连产生偏振光，由于环形器单向环形传输的特性，该偏振光从光纤环行器(3)的a端口进入，沿b端口出射并通过PCF空气腔(5)，传输至倾斜光纤光栅(6)。由于倾斜光纤光栅(6)的栅平面与光纤轴向存在一定倾角，传输光的耦合条件发生改变，激励出两种不同的传输模式，一种是满足Bragg匹配条件的纤芯模，另一种是满足包层匹配条件的包层模，该包层模对光纤表面环境变化，特别是折射率的变化非常敏感，两者分别沿着纤芯和包层反向传输。将氧化石墨烯薄膜(7)均匀地镀在倾斜光纤光栅(6)的栅区表面，该薄膜具有良好的湿敏特性，在吸附和释出水分子的过程中薄膜折射率发生变化，吸湿程度的不同能显著地改变包层模的波长。两种模式经过PCF空气腔(5)与倾斜光纤光栅(6)的熔接点时，由于PCF空气腔(5)中的细芯与纤芯直径不匹配，导致纤芯模和一部分包层模耦合进入PCF空气腔(5)，并在单模光纤(4)与PCF空气腔(5)的熔接点重新耦合进入单模光纤(4)的纤芯。反射光返回到光纤环行器(3)的b端口，从光纤环行器(3)的c端口进入第一光谱仪(8)，倾斜光纤光栅(6)中的透射光继续向前传输进入第二光谱仪(9)。
倾斜光纤光栅的光栅平面与光纤轴向成一定倾角θ，透射/反射谱中出现各阶包层模，其相位匹配条件表示为
λBragg＝2neff，core*Λ/cos(θ) (1)
Figure BSA0000135366840000021
Λ＝ΛT*cos(θ) (3)
式中，λBragg为Bragg波长，
Figure BSA0000135366840000022
为第i阶包层模波长，/>
Figure BSA0000135366840000023
和/>
Figure BSA0000135366840000024
分别表示纤芯和包层在波长为/>
Figure BSA0000135366840000025
时的有效折射率，Λ为θ＝0°时的光栅周期，ΛT为倾斜光纤光栅(6)的光栅周期。
各阶包层模的波长随着外界介质折射率(SRI)变化发生漂移，
Figure BSA0000135366840000026
可以表示为
Figure BSA0000135366840000031
将氧化石墨烯薄膜(7)均匀地镀在倾斜光纤光栅(6)的栅区表面。当光入射倾斜光纤光栅(6)时，包层模以不同的角度入射包层与氧化石墨烯薄膜(7)的交界面。当氧化石墨烯薄膜(7)吸附或者释出水分子，薄膜折射率发生变化，可以在倾斜光纤光栅(6)的反射光谱上观察到包层模波长的漂移。
本发明的有益效果是：引入对外界介质折射率变化高度敏感和低热敏交叉性的倾斜光纤光栅，大幅提升了该新型湿度传感器的灵敏度和热稳定性。同时，创新地通过腐蚀处理PCF在光纤内部构建空气腔，该设计能有效增强包层模的耦合效率，有利于获得更高的灵敏度和加强传感器的抗干扰能力。氧化石墨烯材料的亲水性强，比表面积大，特别适合微小表面积下吸附水分子的情形，提升了传感头的响应下界。因此，本发明具有结构紧凑、灵敏度高、可消除温度交叉敏感等优点。
附图说明
图1是一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器的特征装置示意图。
图2是一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器中PCF空气腔的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见附图1，一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，PCF空气腔(5)，倾斜光纤光栅(6)，氧化石墨烯薄膜(7)，第一光谱仪(8)，第二光谱仪(9)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；单模光纤(4)，PCF空气腔(5)，倾斜光纤光栅(6)和氧化石墨烯薄膜(7)构成了湿敏感探头，其中氧化石墨烯薄膜(7)均匀镀在倾斜光纤光栅(6)的表面；光纤环行器(3)的c端口连接至第一光谱仪(8)，倾斜光纤光栅(6)的右端连接至第二光谱仪(9)。具体而言，PCF空气腔(5)长度为3mm～4mm，所用PCF的优选型号是LMA-10。倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为6°～10°，栅区长度为8mm～12mm。氧化石墨烯薄膜(7)的膜厚为1μm～1.5μm，所用氧化石墨烯的片径大于500nm。
HF酸对PCF进行腐蚀在其内部构建出PCF空气腔(5)。具体而言，将一段PCF与倾斜光纤光栅(6)进行熔接，将其端面切平，然后垂直浸入HF酸溶液中，静置2min。在毛细效应作用下，HF酸首先进入PCF的空气孔中对管壁进行腐蚀，孔径进一步增大，直至整个周期性结构腐蚀消失。同时经过腐蚀，PCF中间的实心部分变细，这一腐蚀过程对单模光纤的损伤较小。最后形成的PCF空气腔(5)横截面参见附图2，在光纤内部形成一个内壁光滑的六边形空气腔。
倾斜光纤光栅(6)表面氧化石墨烯镀膜的方法是：光纤环行器(3)的a端口接入中心波长1480nm的激光光源，光源的输出功率固定为75mW，通光的同时在倾斜光纤光栅(6)表面滴上经过超声分散的浓度为2mg/L的氧化石墨烯酒精悬浮液，持续加液保持镀膜区域湿润，镀膜时间为20分钟。此时，在光压和光热效应的作用下氧化石墨烯逐渐吸附在光纤表面，镀膜过程中用第二光谱仪(9)监控倾斜光纤光栅(6)的透射光谱，防止光能量过高，结构发生损坏。然后取出光纤，置于室温下自然干燥24小时，从而形成氧化石墨烯薄膜(7)。
本发明的工作原理是：宽带光源(1)和偏振控制器(2)组合产生偏振光，经过光纤环行器(3)的a端口，沿b端口进入并通过PCF空气腔(5)，传输至倾斜光纤光栅(6)。倾斜光纤光栅(6)的栅平面与光纤轴向存在一定倾角，激励两种不同的传输模式，其中的包层模对光纤表面环境折射率的变化非常敏感，沿着包层反向传输。将氧化石墨烯薄膜(7)均匀地镀在倾斜光纤光栅(6)的表面，该薄膜在吸附和释出水分子的过程中引起薄膜折射率发生变化，显著地改变包层模的波长。在PCF空气腔(5)的作用下，一部分包层模重新耦合进入单模光纤(4)的纤芯，返回到光纤环行器(3)的b端口，沿光纤环行器(3)的c端口进入第一光谱仪(8)，将相对湿度信息记录在输出光谱中。

Claims (4)

1.一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，PCF空气腔(5)，倾斜光纤光栅(6)，氧化石墨烯薄膜(7)，第一光谱仪(8)，第二光谱仪(9)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；单模光纤(4)，PCF空气腔(5)，倾斜光纤光栅(6)和氧化石墨烯薄膜(7)构成了湿敏感探头，其中氧化石墨烯薄膜(7)均匀镀在倾斜光纤光栅(6)的表面；光纤环行器(3)的c端口连接至第一光谱仪(8)，倾斜光纤光栅(6)的右端连接至第二光谱仪(9)；
倾斜光纤光栅(6)的栅平面与光纤轴向存在一定倾角，激励出两种不同的传输模式：纤芯模和包层模，两种模式分别沿着纤芯和包层反向传输，经过PCF空气腔(5)与倾斜光纤光栅(6)的熔接点时，由于PCF空气腔(5)中的细芯与纤芯直径不匹配，导致纤芯模和一部分包层模耦合进入PCF空气腔(5)，并在单模光纤(4)与PCF空气腔(5)的熔接点重新耦合进入单模光纤(4)的纤芯，反射光返回到光纤环行器(3)的b端口，从光纤环行器(3)的c端口进入第一光谱仪(8)，将相对湿度信息记录在输出光谱中，倾斜光纤光栅(6)中的透射光继续向前传输进入第二光谱仪(9)；
其中，HF酸对PCF进行腐蚀在其内部构建出PCF空气腔(5)，具体为：将一段PCF与倾斜光纤光栅(6)进行熔接，将其端面切平，然后垂直浸入HF酸溶液中，静置2min，在毛细效应作用下，HF酸首先进入PCF的空气孔中对管壁进行腐蚀，孔径进一步增大，直至整个周期性结构腐蚀消失，同时经过腐蚀，PCF中间的实心部分变细，在光纤内部形成一个内壁光滑的六边形空气腔。
2.根据权利要求1所述的一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器，其特征在于：所述的PCF空气腔(5)长度为3mm～4mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器，其特征在于：所述的倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为6°～10°，栅区长度为8mm～12mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于PCF空气腔和倾斜光纤光栅的相对湿度传感器，其特征在于：所述的氧化石墨烯薄膜(7)的膜厚为1μm～1.5μm。
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