[发明专利]一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤氢气传感技术领域，具体涉及一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器。

背景技术

氢气(H₂)同时具备高能量密度和燃烧产物无毒无害两大突出优势，被公认为二十一世纪最具发展潜力的二次能源。在室温和标准大气压条件下，氢气的爆炸浓度范围非常广(4%~74.2%)，点火能量极小（0.02mJ），强烈的易燃易爆性对氢气检测装置自身的安全性，可靠性以及对超低浓度氢气的响应能力提出了较高要求。

光学氢气传感器，尤其是光纤氢气传感器，利用光作为媒介进行氢气浓度传感，由于探头不存在电学部件，具有本质防爆，灵敏度高，抗电磁干扰等优势，近年来引起了广泛的关注和研究。常见的光纤光栅型氢气传感器，需温度补偿措施抑制环境温度波动造成的中心波长漂移，检测精度不高的同时存在着对温度交叉敏感的问题。

保偏光子晶体光纤（PM-PCF）是具有保偏特性的光子晶体光纤，通过纤芯周围周期性排列的空气孔结合应力棒在光纤内部产生统一的应力双折射，能够长距离地保持偏振光的偏振态，尤其是良好的温度特性，有利于制作对温度不敏感的光纤器件，能有效简化仪器结构，提高装置稳定性。

一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，在构建的全光纤Michelson干涉仪中引入经镀膜处理的PM-PCF作为敏感部件，具有结构简单，灵敏度高，对环境温度变化不敏感等优点。

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PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，测量干涉光谱中指定级数的波谷波长漂移量反应氢气浓度，结构易于实现，灵敏度高，减轻环境温度波动给氢气浓度检测带来的影响。

本发明通过以下技术方案实现：一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源（1），偏振控制器（2），传输光纤1（3），3dB耦合器（4），传输光纤2（5），镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6），传输光纤3（7），传输光纤4（8），光谱仪（9），恒温气室（10）组成，其特征在于：宽带光源（1）和偏振控制器（2）相连，偏振控制器（2）通过传输光纤1（3）与3dB耦合器（4）入射端相连，3dB耦合器（4）的一个出射端通过传输光纤2（5）与镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端相连，另一个出射端与传输光纤3（7）相连；3dB耦合器（4）的透射端通过传输光纤4（8）与光谱仪（9）相连；镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）的左端与传输光纤2（5）熔接，在PM-PCF外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜；镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）和传输光纤3（7）的右端面分别涂覆Al反射膜，平行置于恒温气室（10）内。

所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）长度为5cm~8cm，Pd/Ag合金薄膜的膜厚为40nm~50nm，Ag质量分数为20%~25%。

所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）选用的保偏光子晶体光纤的优选型号是LMA-PM-15，工作波长在1550nm。

本发明的工作原理是：宽带光源（1）发射中心波长1550nm的激光，通过偏振控制器（2）得到一束线偏振光，沿传输光纤1（3）入射3dB耦合器（4）分为两束相同的光分别入射到传输光纤3（7）和沿传输光纤2（5）直接耦合至镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF（6）中，构成全光纤Michelson干涉仪。PM-PCF在外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜作为敏感区，在Pd/Ag薄膜吸收氢气发生体积膨胀后，挤压包层中的空气孔导致镀膜区域中传输模式的相位改变，与分光后的另一束光出现恒定的相位差。两束光经端面高反射率的Al反射膜反射后，在3dB耦合器（4）的透射端汇合并发生干涉，干涉光谱经传输光纤4（8）被光谱仪（9）接收。可知，干涉光谱漂移量与氢气浓度之间存在对应关系，从而实现对氢气浓度的高精度检测。

干涉光谱中第m级波谷处两束光之间的相位差同时受到PM-PCF参数和包层表面Pd/Ag镀膜的影响，可以表示为

（1）

式中，整数m为干涉级数，为第m级波谷波长，、分别为PM-PCF的固有双折射和长度；、分别为Pd/Ag合金薄膜引入的附加双折射和镀膜区域长度。

Pd/Ag合金薄膜中的Pd结合氢分子发生晶格体积膨胀，挤压空气孔发生变形，引起PM-PCF的附加双折射和镀膜长度变化，两束光之间的相位差可表示为

（2）