CN110907400A - 一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置。该装置测量气体浓度的稳定性好、灵敏度高、体积小、结构简单、方便携带、成本较低。本发明采用的技术方案是，将带有微通道的保偏光纤两端熔接两段单模光纤构成Sagnac环，并在微通道表面镀一层石墨烯，将Sagnac环插入激光环形腔内。激光由泵浦光源发出，依次经过波分复用器(WDM)，掺饵光纤(EDF)，光隔离器(ISO)、光循环器、光耦合器到达Sagnac环，光耦合器输出的光从光循环器的另一端口输出，并与连有光纤布拉格光栅(FBG)的另一光循环器相连接，经过光纤耦合器(coupler)连接到波分复用器形成回路，构成有源内腔传感系统，通过光功率计测量系统输出功率。本发明主要应用于光纤气体浓度检测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤气体检测技术，尤其是一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置。
技术背景
光纤气体传感器是一种检测气体中特定成分的仪器，用于对有毒、有害气体的检测，对易燃、易爆气体的安全报警。随着经济的迅猛发展，人们对气体传感器的重视度日益提高，传统的气体检测技术一般是基于非光学的检测，虽然能够达到极低的检测限，但其响应较慢，可重复利用率低，使用周期短。通常，理想的气体传感器应该具备灵敏度高、响应速度快、使用寿命长、体积小、方便安装和携带、结构简单、控制检测容易等特点，传统的传感器已经不能够满足人们的需求。
光纤气体传感技术是一项具有广阔应用前景的新型技术，光纤气体传感器由于其传输功率损耗小、测量灵敏度高、抗电磁干扰、响应快、体积小等一系列独特的优势，从问世到现在，一直都在快速发展着。光纤气体传感器中测量信号的载体是光信号，不会影响被测对象，自身独立性好，不会受外部环境的影响，还可以组成光纤传感系统，连接中心计算机，实现智能化传感。随着工业上的需求不断增加，以及人们对环境的关注度的提高，使得光纤气体传感器的发展十分迅速。诸多不可比拟的优势使其在工业生产、环境保护、医学等领域受到广泛的关注与应用。
近年来，随着光纤传感领域的不断研究，人们根据Sagnac效应研究出了Sagnac干涉仪，它早期被用来制作光纤陀螺仪。由于传感器需要具有高灵敏度、易携带、低成本、结构简单等特点，基于Sagnac模间干涉结构的光纤传感器在生物和化学传感领域得到了广泛的研究与应用。在保偏光纤Sagnac干涉仪中，两束光波沿着相反方向传播后在闭合环路绕行一周，保偏光纤(PMF)具有双折射效应，会使两束光波之间产生光程差，因此可以输出稳定的干涉光谱。此外，保偏光子晶体(PM-PCF)的提出，使得集成空芯保偏光纤的Sagnac干涉型传感器得到了广泛的关注。
由于某些材料的折射率具有对气体敏感的特性，目前提出的基于折射率变化型的光纤气体传感器，通过测量折射率变化而导致的光纤波导参数，如有效折射率、双折射以及损耗等发生变化，通过光强检测或干涉测量等方法计算气体浓度。其原理是根据气体的不同折射率或者光程的变化而引起干涉，如应用Michelson干涉仪、Febry-Perot干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪等，根据测量干涉仪输出的光强度变化测量气体的浓度变化。而基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体传感器就鲜有专利的提出。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置，采用该传感器装置，可以通过测量系统输出功率来检测气体浓度。与以往的光纤气体传感器比较而言，该装置测量气体浓度的稳定性好、灵敏度高、体积小、结构简单、方便携带。并且省去了传统的光纤气体传感器所需要的光谱分析仪和宽带光源，降低了成本。本发明采用的技术方案是，基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置，将带有微通道的保偏光纤两端熔接两段单模光纤构成Sagnac环，并在微通道表面镀一层石墨烯，增强对气体的吸收，将Sagnac环插入激光环形腔内。激光由泵浦光源发出，依次经过波分复用器(WDM)，掺饵光纤(EDF)，光隔离器(ISO)、光循环器、光耦合器到达Sagnac环，光耦合器输出的光从光循环器的另一端口输出，并与连有光纤布拉格光栅(FBG)的另一光循环器相连接，经过光纤耦合器(coupler)连接到波分复用器形成回路，构成有源内腔传感系统，通过光功率计测量系统输出功率。
所述光纤激光环形腔中，增益介质为掺饵光纤(EDF)，泵浦光源波长为980nm，经过波分复用器(WDM，980/1550nm)对其进行泵浦，泵浦功率为150mW。系统中隔离器的使用可以确保腔内光的单方向运转。耦合器的10％端口输出到光功率计(分辨率为lnW)，大部分的能量通过90％端口反馈回环形腔内。此外，布拉格光栅作为波长选择的器件，通过环形器插入到环形腔内，在该系统中，光纤光栅的波长大约在1532nm。
所述Sagnac干涉结构由一段保偏光纤(PMF)熔接在两段完全相同的普通单模光纤(SMF)之间构成单模-保偏-单模光纤结构的传感器件，将其嵌入到激光器内腔传感系统中。
所述微通道保偏光纤气室，是在集成空芯保偏光纤外侧建立气体扩散的微通道，并在微通道表面镀一层石墨烯，增强对气体的吸收，当外界环境中气体浓度发生变化时，经过微通道的扩散作用，保偏光纤气室内气体浓度也发生相应的变化。
微通道保偏光纤气室气体浓度的测试方法，利用前述装置实现，由于保偏光纤具有双折射特性，当微通道保偏光纤气室内气体浓度发生变化时，随着保偏光纤的双折射率改变，输出光谱发生漂移，宏观上表现为输出功率的改变。可以通过测量不同待测物质浓度下的光纤激光器的输出功率得到浓度与输出功率的关系。
与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
本发明的优点在于，集成空芯保偏光纤的Sagnac干涉结构，在保偏光纤侧面建立用于气体扩散的微通道，在其两端熔接两段单模光纤构成Sagnac环，并在微通道表面镀一层石墨烯，增强对气体的吸收，将其嵌入到激光环形腔内。利用激光环形内腔进行强度调制，与传统的波长调制方式相比，波长调制方式受光谱仪分辨率的限制，测量精度较低。本发明采用的强度调制方式，使用的光功率计分辨率达到lnW，可以提到测量精度，并且可以有效地减少整套装置的体积，省去了昂贵的光谱分析仪和宽带光源，节约成本。同时，采用基于Sagnac干涉结构，相比于Michelson干涉仪、Febry-Perot干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪等干涉结构，Sagnac干涉结构具有较高的传感灵敏度，而且结构装置更为简单。此外，微通道保偏光纤气室的使用，气体扩散到光纤气室内时，可以极大地增加气体与光信号的作用时间，有效地提高了测量灵敏度。本发明结构装置简单，易于实现，具有良好的市场前景，可以被广泛地应用到甲烷、乙炔等可燃易爆以及有毒气体的检测中。
附图说明
图1为本发明使用的系统装置图。
图2为本发明使用的集成空芯保偏光纤的Sagnac干涉结构图。
图3为微通道保偏光纤气室。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-泵浦光源(固定输出波长为980nm，泵浦功率为150mW)；2-波分复用器(WDM，980/1550nm)；3-激光增益介质(掺饵光纤EDF)；4-光隔离器；5-光循环器；6-光耦合器；7-Sagnac环；8-光纤布拉格光栅(FBG，波长大约为1532nm)；9-光功率计(分辨率为lnW)；10-单模光纤；11-无芯保偏光纤；111-保偏光纤侧面的微通道；112-微通道表面镀石墨烯。
具体实施方式
本发明首次实现将带有微通道的保偏光纤构成的Sagnac干涉结构与内腔传感系统相结合作为气体传感器，当外界环境中的气体浓度发生变化时，经过微通道扩散到保偏光纤气室中的气体浓度变化使得光纤双折射率发生变化，输出光谱产生漂移，宏观上表现为系统输出功率的改变。根据光功率计测量输出功率的变化，能够计算出气体浓度。采用灵敏度较高的有源内腔传感系统，同时，能够减小装置的体积。
本发明公开了一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置，主要包括激光环形内腔传感系统、微通道保偏光纤构成的Sagnac环、光功率计。
本发明是利用下述技术方案实现的：将带有微通道的保偏光纤两端熔接两段单模光纤，构成Sagnac环干涉结构，在微通道表面镀一层石墨烯，并与光纤耦合器相连接，嵌入到激光环形内腔中。泵浦光源、波分复用器、掺饵光纤、光隔离器、光循环器、光耦合器、光纤布拉格光栅、光耦合器连接起来，构成有源激光环形内腔传感系统。
光纤激光环形腔中，增益介质为掺饵光纤(EDF)，泵浦光源波长为980nm，经过波分复用器(WDM，980/1550nm)对其进行泵浦，泵浦功率为150mW。系统中隔离器的使用可以确保腔内光的单方向运转。耦合器的10％端口输出到光功率计(分辨率为lnW)，大部分的能量通过90％端口反馈回环形腔内。此外，布拉格光栅作为波长选择的器件，通过环形器插入到环形腔内，在该系统中，光纤光栅的波长大约在1532nm。
本发明所依据的科学原理：随着外界环境的气体浓度发生变化，经过微通道扩散到保偏光纤气室中气体浓度的变化使得光纤双折射率会发生变化，输出光谱产生漂移，使得激光器的输出功率发生变化。可以通过测量不同待测物质浓度下的光纤激光器的输出功率得到浓度与输出功率的关系。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，本发明基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测系统主要包括两大部分：有源内腔传感系统、基于Sagnac干涉结构的传感系统。将带有微通道的保偏光纤的两端熔接两段单模光纤构成的Sagnac环，并将其嵌入到有源内腔传感系统，实现气体浓度检测。所述有源内腔气体检测系统主要包括泵浦光源(1)、波分复用器(2)、掺饵光纤EDF(3)、光隔离器(4)、光循环器(5)、光耦合器(6)、Sagnac环(7)、光纤布拉格光栅(8)、光功率计(9)。
如图2所示，Sagnac干涉结构由一段保偏光纤(PMF)(11)熔接在两段完全相同的普通单模光纤(SMF)(10)之间构成单模-保偏-单模光纤结构的传感器件。
如图3所示，保偏光纤侧面建立气体扩散的微通道(111)，在微通道表面镀一层石墨烯(112)，可增强气体的吸收，当不同浓度的气体通过微通道进入光纤气室时，光纤内双折射率会产生变化，Sagnac环光谱发生偏移，光功率计测量到的输出功率值发生变化。在实际的传感应用过程中，只需要测量激光器的输出功率就能反演得到待测物质的浓度。
Claims (4)
1.一种基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置，其特征是，将Sagnac环嵌入到激光器内腔传感系统中，在光纤激光器环形腔中，激光由泵浦光源发出，依次经过波分复用器(WDM)，掺饵光纤(EDF)，隔离器(ISO)到达Sagnac环的一端，Sagnac环的另一端与布拉格光栅(FBG)连接，经过光纤耦合器(coupler)连接到波分复用器形成回路，通过光功率计测量系统输出功率。
2.如权利要求1所述的基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置，其特征是，将一段保偏光纤(PMF)熔接在两段完全相同的普通单模光纤(SMF)之间制成传感器件，构成单模-保偏-单模的光纤Sagnac结构，将其嵌入到激光器内腔传感系统中。
3.如权利要求1所述的基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置，其特征是，微通道保偏光纤气室，是在保偏光纤的侧面建立气体扩散的微通道，并在微通道表面镀一层石墨烯，增强对气体的吸收，当气体通过微通道进入气室内时，光纤折射率发生变化，输出光谱发生漂移，宏观上表现为气体输出功率的变化。
4.如权利要求1所述的基于微通道保偏光纤Sagnac干涉结构的气体检测装置，其特征是，在光纤激光器环形腔中，耦合器的10％端口输出到光功率计(分辨率为1nW)，大部分的能量通过90％端口反馈回环形腔内。布拉格光栅(FBG)作为波长选择器件，波长大约在1532nm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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