本实用新型专利技术公开了一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氢气传感装置，由半导体激光器，第一GRIN透镜，第一单模光纤，渐变折射率光纤，氢敏感薄膜，第二GRIN透镜，第二单模光纤，光功率计，恒温气室组成。半导体激光器发射的光束经第一GRIN透镜耦合到第一单模光纤内传输后，垂直入射渐变折射率光纤的端面，与氢敏感薄膜作用后经第二GRIN透镜耦合到第二单模光纤内传输至光功率计。包层模在纤芯-氢敏感薄膜交界面发生表面等离子共振，氢敏感薄膜吸附氢气浓度的变化改变其有效折射率，导致包层模反射回纤芯的能量改变，通过归一化出射光强的漂移量检测氢气的浓度。该发明专利技术结构简单，灵敏度高，SPR响应曲线尖锐，为氢气在线监测提供了一种切实可行的方案。
【技术实现步骤摘要】
本技术属于光纤氢气传感
，具体涉及一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氢气传感装置。
技术介绍
氢能是引起发达国家普遍重视的零污染的新能源。一般条件下，空气中的氢气含量处于4％～74.4％时，极易被引燃和发生剧烈爆炸。因此，防爆、可靠、高灵敏度的氢敏传感器具有重要的研究价值。全光传感检测本质防爆，具有较强的抗干扰能力，是氢敏传感器的主要研究方向。表面等离子共振(SurfacePlasmonResonance，SPR)传感技术是先进的光电传感技术，能够达到10-6RIU的灵敏度。光纤SPR传感装置体积小巧，结构多样，适合远程多点测量，而且SPR信号不易受到机械结构、温度湿度等外界因素的干扰，研究潜力巨大。但SPR传感头的制作工艺复杂，信号响应强度有限，易受系统自身噪声的影响。渐变折射率光纤(自聚焦光纤)，纤芯折射率满足抛物线型的梯度分布，纤芯中心的折射率最高，沿径向递减，光束在其中传播能自动聚焦而不发生色散。与全反射光纤相比，渐变折射率光纤的光透过率更高，光能损失更小，在抑制光纤中混沌现象和增加传输距离方面有重要应用。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氢气传感装置，包层模在纤芯-氢敏感薄膜交界面发生表面等离子共振，氢敏感薄膜吸附氢气浓度的变化改变其有效折射率，导致包层模反射回纤芯的能量改变，通过归一化出射光强的漂移量检测氢气的浓度。本技术通过以下技术方案实现：一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氢气传感装置，由半导体激光器(1)，第一GRIN透镜(2)，第一单模光纤(3)，渐变折射率光纤(4)，氢敏感薄膜(5)，第二GRIN透镜(6)，第二单模光纤(7)，光功率计(8)，恒温气室(9)组成，半导体激光器(1)出射端与第一GRIN透镜(2)紧密相连，半导体激光器(1)发射的光束经第一GRIN透镜(2)耦合到第一单模光纤(3)纤芯，第一单模光纤(3)出射端与渐变折射率光纤(4)入射端直接耦合相连，渐变折射率光纤(4)出射光束经第二GRIN透镜(6)耦合到第二单模光纤(7)纤芯，第二单模光纤(7)出射端与光功率计(8)相连；渐变折射率光纤(4)经过侧边抛磨后溅射氢敏感薄膜(5)形成敏感区，渐变折射率光纤(4)与氢敏感薄膜(5)一起置于恒温气室(9)中。所述的渐变折射率光纤(4)具体为纤芯折射率倒置分布的渐变折射率光纤，纤芯直径约为400μm，入射端面与出射端面均经过抛光处理。所述的渐变折射率光纤(4)采用轮式侧抛技术进行侧边抛磨去除部分包层和纤芯，纤芯抛磨后剩余厚度为200μm～300μm，纤芯裸露长度为20mm；采用磁控溅射法在裸露的纤芯上溅射氢敏感薄膜(5)，具体为膜厚40nm～200nm的Au/Pd薄膜或Ag/Pd薄膜。本技术的工作原理是：所述的渐变折射率光纤(4)具体为纤芯折射率倒置分布的渐变折射率光纤，由改进的化学气相沉积法制成，纤芯中心的折射率最低(ncenter＝1.450)，沿径向递增(na＝1.457)，其纤芯折射率n沿径向的分布可近似为n(R)=m1+m2R+m3R2+m4R3+m5R4+m61+m7R2,0≤R≤0.86na,0.86≤R≤1n1,R>1---(1)]]>(1)式中，R＝r/a是距离光轴的位置与纤芯半径的比值，代表纤芯内归一化位置；系数m1＝1.45，m2＝-5*10-6，m3＝0.004，m4＝0.005，m5＝0.006，m6＝0.0025，m7＝669，na为包层折射率，n1为环境介质折射率。子午光线在所述的渐变折射率光纤(4)纤芯中传播满足微分方程dZdR=neff2n2(R)-neff2---(2)]]>(2)式中，Z＝z/a是传播距离与纤芯半径的比值，代表归一化传播距离；neff＝1.45为有效折射率。通过Runge-Kutta法求解(2)式可知，在所述的渐变折射率光纤(4)纤芯中主要存在两种传播光线，第一类传播光线的路径为双曲余弦型，传播过程中不穿过光轴；第二类传播光线的路径为双曲正弦型，每个传播周期两次穿过光轴。两种光线在纤芯-包层交界面的入射角均取决于归一化入射距离H，H＝h/a是点光源至入射端面的距离与纤芯半径的比值，在上述条件下当H＝6.5mm时入射角Ψ的范围最小，在84.2°～84.5°之间。出射光强可通过(3)式近似计算P≈1S∫sPinRcN1+N3RmN2dS---(3)]]>(3)式中，Pin为入射光强，S为光纤横截面面积，Rc、Rm分别为包层和氢敏感薄膜的光强反射系数，受到氢敏感薄膜吸附氢气浓度的影响；N1、N2、N3分别为传播光线在所述的氢敏感薄膜(5)之前，所述的氢敏感薄膜(5)区域内，所述的氢敏感薄膜(5)之后的反射次数。半导体激光器(1)发射中心波长为670nm的光波，通过第一GRIN透镜(2)聚焦后耦合到第一单模光纤(3)内传输，垂直入射渐变折射率光纤(4)的端面。第一单模光纤(3)的纤芯直径为4μm，数值孔径为0.12，相比渐变折射率光纤(4)的纤芯直径400μm，可认为是点光源。在渐变折射率光纤(4)中传播的纤芯模在侧边抛磨区域的边界激发包层模。根据电磁理论，包层模入射纤芯-氢敏感薄膜(5)的交界面时，场量满足电磁场的边界条件，在氢敏感薄膜(5)中激发一定透射深度的倏逝波。包层模的能量通过倏逝波传递给表面等离子体，引发表面等离子共振，包层模反射光能量急剧减弱。氢敏感薄膜(5)吸附氢气浓度的变化会改变其有效折射率(同时改变Rm)，导致包层模反射回纤芯的能量改变。渐变折射率光纤(4)出射光束经第二GRIN透镜(6)聚焦后耦合到第二单模光纤(7)内传输至光功率计(8)，实时检测出射光强值。当环境氢气浓度变化时，对应的出射光强发生改变，通过归一化出射光强的漂移量可以检测氢气的浓度。本技术的有益效果是：全反射光纤中子午光线的入射角范围较大，其SPR响应曲线比较平缓，氢气检测灵敏度受到限制。对纤芯折射率倒置分布的渐变折射率光纤而言，纤芯中只存在两种类型的传播光线且入射角均取决于H，子午光线在入射纤芯-包层交界面时具有相同的入射角，由此能激发出相同的表面等离子波(SPW)，采用纤芯折射率倒置分布的渐变折射率光纤制作氢敏感组件能获得尖锐的SPR响应曲线，有利于提高氢气检测精度，简化氢敏感探头的定标过程。因此，本技术具有结构简单，灵敏度高，SPR响应曲线尖锐等优点，为氢气浓度在线监测提供了一种切实可行的方案。附图说明...
【技术保护点】
一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氢气传感装置，其特征在于：由半导体激光器(1)，第一GRIN透镜(2)，第一单模光纤(3)，渐变折射率光纤(4)，氢敏感薄膜(5)，第二GRIN透镜(6)，第二单模光纤(7)，光功率计(8)，恒温气室(9)组成，半导体激光器(1)出射端与第一GRIN透镜(2)紧密相连，半导体激光器(1)发射的光束经第一GRIN透镜(2)耦合到第一单模光纤(3)纤芯，第一单模光纤(3)出射端与渐变折射率光纤(4)入射端直接耦合相连，渐变折射率光纤(4)出射光束经第二GRIN透镜(6)耦合到第二单模光纤(7)纤芯，第二单模光纤(7)出射端与光功率计(8)相连；渐变折射率光纤(4)经过侧边抛磨后溅射氢敏感薄膜(5)形成敏感区，渐变折射率光纤(4)与氢敏感薄膜(5)一起置于恒温气室(9)中。
【技术特征摘要】
1.一种基于侧边抛磨渐变折射率光纤的氢气传感装置，其特征在于：由半导体激光器(1)，
第一GRIN透镜(2)，第一单模光纤(3)，渐变折射率光纤(4)，氢敏感薄膜(5)，第二GRIN
透镜(6)，第二单模光纤(7)，光功率计(8)，恒温气室(9)组成，半导体激光器(1)出
射端与第一GRIN透镜(2)紧密相连，半导体激光器(1)发射的光束经第一GRIN透镜(2)
耦合到第一单模光纤(3)纤芯，第一单模光纤(3)出射端与渐变折射率光纤(4)入射端直
接耦合相连，渐变折射率光纤(4)出射光束经第二GRIN透镜(6)耦合到第二单模光纤(7)
纤芯，第二单模光纤(7)出射端与光功率计(8)相连；渐变折射率光纤(4)经过侧边抛磨
后溅射氢敏感薄膜(5)形...
【专利技术属性】
技术研发人员：包立峰，姚宇竹，严洒洒，白芸，吴学慧，沈常宇，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：新型
国别省市：浙江;33
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