CN1900696A - 空芯光子晶体光纤气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤气体传感器，具体是一种空芯光子晶体光纤气体传感器。解决了现有光纤气体传感器存在系统装置比较复杂、吸收光程不易控制、光路的耦合损耗也比较大的问题，包括光源、通过普通光纤、光分路器与光源连接的导光气室光路和采用普通光纤的参考光路、及设置于导光气室光路和参考光路另一端的包含光电二极管、锁相放大器的用于为外部气体浓度监测电路提供信号的信号转换部分，导光气室采用其上开有微米级大小透气微孔的空芯光子晶体光纤。采用其上开有微米级大小透气微孔的空芯光子晶体光纤来代替传统气室，减少了光的损耗，提高了有效吸收光程和器件的响应速度，适用于现场气体监控。

Description

空芯光子晶体光纤气体传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤气体传感器，具体是一种基于空芯光子晶体光纤的高灵敏度、响应速度快、量程大的空芯光子晶体光纤气体传感器。

背景技术

光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过二十多年的发展，它已应用在社会生活的许多方面：工业气体在线监测、有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气体的分析。工业上的需要和人们对环境的关注使得光纤气体传感器的发展非常迅速。光纤气体传感器发展迅速是因为它有着传统传感器不可比拟的优势：

(1).非接触式遥测能力。光纤传输损耗小，可允许光信息进行长距离传输，从而能在远距离的安全地带进行遥控遥测。

(2).测量的安全性。光纤电绝缘性好、不受电磁干扰、化学性质稳定，适合在强电磁干扰和易燃、易爆、高温等恶劣环境下测量，这是光纤传感器优于电类气体传感器的重要特点。

(3).传感单元结构简单、稳定可靠。

(4).易于组成光纤传感网络。光纤的频带宽，能同时传输大容量的信息。采用多路复用技术，使多个光纤传感器共用同一根光纤、同一光源和同一信号检测设备，可形成多成分测量仪并降低了成本。

其中，光谱吸收型气体传感器是最重要，也是最简单的一类光纤气体传感器。它利用气体的吸收光谱因气体分子化学结构、浓度和能量分布差异产生的不同进行检测，从而具有了选择性、鉴别性和气体含量的唯一确定性等特点。如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收线，则光通过待测气体时会就发生衰减，输出光强I、输入光强I₀和气体的浓度C之间关系满足比尔-朗伯定理，即：

I＝I₀exp[-αLC]                      (1)

式中：α为一定波长下单位浓度、单位长度的介质吸收系数；L为吸收路径的长度；C为气体浓度。上式可转化为：

$c=-\frac{1}{\mathrm{\αL}}\ln \frac{I}{I_0}---\left(2\right)$

由此可知，在波长λ一定的情况下，若气体的吸收系数α已知，则气体浓度c可以从λ光的输入输出光强I₀和I的变化量来求出。这为研究光纤气体传感器提供了理论依据。

现有光纤气体传感器主要是利用光纤传输光信号，但是其检测时与气体充分接触/装盛的气室主要是用铝合金材料做成，且气室的两端分别设置有输入/输出透镜(如图1所示)。从光纤出来的入射光先要经过输入透镜准直变为平行光，然后通过通有气体的气室，再经过聚焦输出透镜耦合到光纤。因为光路不可能绝对准直，光纤的数值孔径有一定的范围，光信号在这里要损失一部分；另外，有时为提高有效光程，甚至还得经常在气室两边加上反射镜，使光在气室中往返反射传输来增加气体与光的作用距离，因此使得系统装置比较复杂，吸收光程不易控制，光路的耦合损耗也比较大，最终致使测量的灵敏度也不高。

针对现有光纤气体传感器采用气室所存在的问题出现了以光纤直接作为气室的气体光纤传感器，例如：专利号为“200410037099”的中国专利公开了一种采用纳米级微孔结构光纤的气体浓度传感器，设有至少1只发光二极管，发光二极管发出的光路上设有自聚焦透镜、在自聚焦透镜前分别设有玻璃光纤和纳米光纤，一路光经过透镜进入玻璃光纤，另一路光经透镜进入纳米光纤，两光纤的另一端分别接光电探测器，在光电探测器前设有光滤波片，光电探测器输出端经锁相放大器外接气体浓度监测电路。其中采用的纳米光纤是一种内部布满纳米级的连通或部分连通微孔的光纤。该项专利从一定程度上解决了现有光纤气体传感器所存在的问题，但是由于该结构的气体浓度传感器仍采用透镜进行光信号耦合，因此仍存在耦合损耗的问题。

发明内容

本发明为了解决现有光纤气体传感器存在系统装置比较复杂、吸收光程不易控制、光路的耦合损耗也比较大的问题，提供了一种空芯光子晶体光纤气体传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种空芯光子晶体光纤气体传感器，包括光源、通过普通光纤、光分路器与光源连接的导光气室光路和采用普通光纤的参考光路、及设置于导光气室光路和参考光路另一端的包含光电二极管、锁相放大器的用于为外部气体浓度监测电路提供信号的信号转换部分，导光气室采用其上开有微米级大小透气微孔的空芯光子晶体光纤。光源发出的光经过普通光纤后，通过光分路器(1∶1)，一束光进入其内充满待测气体的空芯光子晶体光纤，并与空芯光子晶体光纤内的气体相互作用；另一束光作为参考光直接进入普通光纤，然后携带有浓度信息的光信号和参考光信号分别传输到光电二极管处并转换成电信号，送入锁相放大器进行线性处理、功率放大，经功放处理后的电压信号最终传输至外部气体浓度监测电路处理，即可得到气体的浓度信息。所述的外部气体浓度监测电路是现有公知技术，本领域的技术人员很容易实现，因此在说明书中未作详细说明。光子晶体光纤又称多孔光纤或微结构光纤，是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。它分实芯和空芯光纤。所谓空芯光纤(即空芯光子晶体光纤)是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。因为只有很少一部分光在硅材料中传输，所以相对于常规光纤来说，材料的非线性效应明显降低，损耗也大为减少。据预测，空芯光子晶体光纤最有可能成为下一代超低损耗传输光纤。与现有技术相比，本发明采用在空芯光子晶体光纤上加工一些微米级大小使光纤内的石英玻璃管与外界相通的透气微孔，使被测气体很容易进入气室(即空芯光子晶体光纤内的石英玻璃管内)，为测量气体浓度提供必要条件。

本发明采用其上开有微米级大小透气微孔的空芯光子晶体光纤来代替传统气室，由于普通光纤与空芯光子晶体光纤之间可以直接耦合，所以不需要输入/输出透镜，又由于空芯光子晶体光纤的长度即有效光程，所以不需要反射镜，直接增加光纤长度即可增加气体与光的作用长度(即吸收光程)。不但减少了光的损耗，提高了有效吸收光程和器件的响应速度，同时具有：整个装置体积小、质量轻、结构灵活简单、稳定可靠，更适用于现场气体监控等很多令人瞩目的优点。

附图说明

图1为现有光纤气体传感器的气室结构示意图；

图2为本发明经过微孔加工后的空芯光子晶体光纤气室的结构示意图；

图3为空芯光子晶体光纤气体传感器系统装置图；

图中：1-普通光纤；2-空芯光子晶体光纤；3-透气微孔；4-气体分子；5-防尘透气罩；6-铝制气室；7-输入透镜；8-输出透镜；9-光源；10-光分路器；11-光电二极管；12-锁相放大器；13-光开关；14-光谱仪；15-外部气体浓度监测电路。

具体实施方式

一种空芯光子晶体光纤气体传感器，包括光源9、通过普通光纤1、光分路器10与光源9连接的导光气室光路和采用普通光纤1的参考光路、及设置于导光气室光路和参考光路另一端的包含光电二极管11、锁相放大器12的用于为外部气体浓度监测电路15提供信号的信号转换部分，导光气室采用其上开有微米级大小透气微孔3的空芯光子晶体光纤2。

所述导光气室光路进光端设置有光开关13，光分路器10可通过光开关13连接多路其上开有透气微孔3的空芯光子晶体光纤2，通过控制光开关可以实现对多处地点的气体浓度测量；

所述的光源9采用分布反馈式半导体激光器；分布反馈式半导体激光器(DFB LD)是一种内含介质光栅结构，能够在更宽的工作温度和工作电流范围内抑制在普通半导体LD中常见的模式跳变，大大改善了噪音特性。它具有谱线窄、功率大等特点。DFB LD作为光源的气体传感技术在灵敏度、选择性、动态范围、信噪比和响应时间等方面比传统方法具有诸多优点。

具体实施时，可以通过飞秒超短脉冲激光微孔加工的方法，在空芯光子晶体光纤2上加工一些微米级大小使光纤内的石英玻璃管与外界相通的透气微孔3，由于激光具有良好的聚焦特性，能使光束斑点会聚到波长量级，在很小的区域内集中很高的能量。而且飞秒超短脉冲激光的脉冲持续时间短，能将脉冲能量集中在几个至几百个飞秒的极短时间内，其损伤阈值是精确值。将激光的能量控制在正好等于或略高于损伤阈值，则只有高于损伤阈值的部分产生烧蚀，热影响区小，因此可在空芯光子晶体光纤上进行低于衍射极限的亚微米加工；另外，为了防止环境中尘土对空芯光子晶体光纤的影响，可以采用防尘透气罩5把光纤保护起来。

另外，考虑到有可能有其它气体(主要是水蒸气)的吸收谱和被测气体的光谱有部分重合，因此所述导光气室光路和参考光路的出光端设置有光谱仪14，用以对干扰光谱进行滤除。

由于不同气体的吸收光谱不同，所以必须针对被测气体的吸收光谱和实际需要来确定所选器件的型号和测量范围，以下器件仅做参考：

1.光分路器采用深圳市讯达康通讯设备有限公司生产的产品编号为7889-16577的光分路器；

2.光开关采用桂林光隆光电科技有限公司生产的产品编号为SUN-FSW-MXN的光开关；

3.光电二极管采用海特光电有限责任公司生产的InGaAs PIN光电二极管；

4.空芯光子晶体光纤采用F-AIR-11/1550型号的光纤。

Claims (3)

1、一种空芯光子晶体光纤气体传感器，包括光源(9)、通过普通光纤(1)、光分路器(10)与光源(9)连接的导光气室光路和采用普通光纤1的参考光路、及设置于导光气室光路和参考光路另一端的包含光电二极管(11)、锁相放大器(12)的用于为外部气体浓度监测电路(15)提供信号的信号转换部分，其特征在于导光气室采用其上开有微米级大小透气微孔(3)的空芯光子晶体光纤(2)。

2、根据权利要求1所述的空芯光子晶体光纤气体传感器，其特征在于所述导光气室光路进光端设置有光开关(13)，光分路器(10)通过光开关(13)连接多路其上开有透气微孔(3)的空芯光子晶体光纤(2)。

3、根据权利要求1或2所述的空芯光子晶体光纤气体传感器，其特征在于所述导光气室光路和参考光路的出光端设置有光谱仪(14)。

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