[实用新型]一种基于光纤环形激光器的Sagnac干涉仪氢气传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤环形激光器的Sagnac干涉仪氢气传感器。

背景技术

化石燃料燃烧释放大量的CO₂破坏臭氧层使得全球气候变暖，使用绿色新能源是一种必然趋势。H₂作为一种绿色能源，在能源和电力行业被广泛使用。然而氢气在空气中的体积浓度在4％-75％之间极易引起爆炸，因此氢气的泄漏检测显得尤为重要。

近年来，光学氢气传感器获得广泛而深入的研究。基于表面等离子体共振技术的氢气传感器，灵敏度高，其关键是精确控制金属膜的厚度(纳米量级)，需要使用到昂贵的仪器设备。基于光纤布拉格光栅的氢气传感器，因其具有波分复用的特性而广泛应用于氢气浓度的分布测量，但灵敏度通常较低。虽然抛磨光栅技术可以用于增强氢气的灵敏度，但它降低了传感器的机械强度，让之变得脆弱易断。基于集成光学微结构的氢气传感器，具有紧凑的尺寸和高灵敏度，然而它们的制造涉及到较为复杂的过程，从而也限制了其广泛应用。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于光纤环形激光器的Sagnac干涉仪氢气传感器，该Sagnac干涉仪由2*2单模光纤耦合器的左右各一个连接端分别与表面覆有三氧化钨载铂催化剂粉末的熊猫保偏光纤的两端熔接构成，具有制备方便、结构简单、成本低的优点。然后将该Sagnac干涉仪接入到环形激光器中，该光纤干涉仪一方面起到氢气传感的作用，一方面作为光学滤波器，从而使得激光器输出激光的中心波长受氢气浓度的调制。通过测量激光器输出激光的中心波长即可获得被测氢气浓度。激光器输出激光具有光强大、超窄线宽的特性，为其中心波长的准确确定提供了保证，故具有灵敏度高的优点。

本实用新型所采用的技术方案：一种基于光纤环形激光器的Sagnac干涉仪氢气传感器，包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、光隔离器、Sagnac干涉仪，光偏振器，1*2型光纤耦合器、光纤光谱仪，其特征在于：所述的Sagnac干涉仪由2*2单模光纤耦合器的左右各一个连接端分别与熊猫保偏光纤的两端熔接构成，且熊猫保偏光纤的表面覆盖了一层三氧化钨载铂催化剂粉末的薄膜；波分复用器的两个端口分别与泵浦激光器以及掺铒光纤连接，掺铒光纤的另一端与光隔离器连接，光隔离器的另一端与Sagnac干涉仪连接，Sagnac干涉仪的另一端与光偏振器连接，光偏振器的另一端与1*2型光纤耦合器连接，1*2型光纤耦合器的另两端分别于与光纤光谱仪和波分复用器连接。

其中，熊猫保偏光纤的长度为5～10cm，三氧化钨载铂催化剂粉末的厚度为10～100nm，连接光纤可采用G.652、G.653和G.655单模光纤。

本实用新型的有益效果是：

1传感器制备过程中只需使用普通商用光纤熔接机将2*2单模光纤耦合器的左右各一个连接端与熊猫保偏光纤的两端分别熔接，并在熊猫保偏光纤的表面涂敷三氧化钨载铂催化剂(Pt-loaded WO₃)粉末，具有制备方便，成本较低的优点。

2.该Sagnac干涉仪一方面起到氢气传感的作用，一方面作为光学滤波器，从而使得激光器输出激光的中心波长受到氢气浓度的调制。

3.光纤激光器输出的激光具有光强大和超窄线宽的特性，有利于其中心波长的准确测定，即为准确测量氢气的浓度提供了保证，具有高灵敏度的优点。

附图说明

下面结合附图及具体方式对本实用新型作进一步说明。

图1为基于光纤环形激光器的Sagnac干涉仪氢气传感器的应用实施示意图；

图2为Sagnac干涉仪氢气传感结构示意图。

图中：1.2*2单模光纤耦合器，2.表面涂敷三氧化钨载铂催化剂(Pt-loaded WO₃)粉末的熊猫保偏光纤，3.泵浦激光器，4.波分复用器，5.掺铒光纤，6.光隔离器，7.光偏振器，8.1*2型光纤耦合器，9.光纤光谱仪。

具体实施方式

2*2单模光纤耦合器(1)的左右各一个连接端分别与表面涂敷三氧化钨载铂催化剂(Pt-loaded WO₃)粉末的熊猫保偏光纤(2)的两端熔接，构成一个萨格纳克干涉仪，如图2；波分复用器(4)的两个端口分别与泵浦激光器(3)以及掺铒光纤(5)相连接；掺铒光纤(5)的另一端与光环形器(6)相连接，光环形器(6)的另一端与2*2单模光纤耦合器(1)相连接，2*2单模光纤耦合器(1)的另一端与光偏振器(7)相连接，光偏振器(7)的另一端与1*2型光纤耦合器(8)相连接，1*2型光纤耦合器(8)的另一端分别与光纤光谱仪(9)和波分复用器(4)相连接，如图1；然后将具有传感作用的萨格纳克干涉仪置于待测氢气浓度的空间中进行传感测量。氢气在Pt-loaded WO₃粉末的催化作用下与氧气发生反应，释放热量，引起熊猫保偏光纤温度升高，进一步导致萨格纳克干涉仪的中心波长发生漂移，其漂移量的大小与氢气浓度成正相关，同时光纤激光器输出的激光具有光强大和超窄线宽的特性，有利于其中心波长的准确测定，可准确确定待测空气中氢气的浓度。