法布里-珀罗谐振腔光纤传感器及其制造和气体检测方法技术

本发明专利技术属于气体测量装置技术领域，具体提供一种法布里‑珀罗谐振腔光纤传感器。所述光纤传感器的结构为单模光纤‑介质膜‑空芯光子带隙光纤‑介质膜‑单模光纤，所述介质膜与空芯光子带隙光纤的距离均大于0而小于1μm，以便气体进入空芯光子带隙光纤内。本发明专利技术的法布里‑珀罗谐振腔光纤传感器，通过空芯光子带隙光纤纤芯与两端介质膜组合形成的谐振腔，增加光与气体相互作用的有效长度，从而实现气体吸收信号的增强，提高气体探测灵敏度；与传统光学谐振腔相比，无需复杂的对准光学系统；而且空芯光子带隙光纤形成的谐振腔可以实现传感器小型化，极大的提高了传感器的适用性。

【技术实现步骤摘要】
法布里-珀罗谐振腔光纤传感器及其制造和气体检测方法
本专利技术涉及气体测量装置
，具体涉及一种法布里-珀罗谐振腔光纤传感器及其制造和气体检测方法。
技术介绍
现有的直接吸收型光纤气体测量装置在测量过程中，大多是在自由空间的吸收气室进行，所采用的自由空间的吸收室如基于光纤准直器的气室、多程路径气室。但是，基于光纤准直器的气室受对准和损耗的影响，限制了光与气体作用的有效长度。虽然多程路径气室如White或者Herriott气室等可以实现很长的有效吸收长度，但是其结构复杂、体积庞大，不适合实际应用。于是人们采用空芯光子带隙光纤同时作为光波导和吸收气室。这种空芯光子带隙光纤同时作为光波导和吸收气室既可以保证光与气体相互作用的长度，又可以将光纤盘绕成较小尺寸，能够实现结构简单、体积紧凑等特点，但其响应时间受到较长进气时间的限制。在实际气体测量应用中，往往要求传感器同时具有高探测灵敏度和快速响应的特点，如呼吸检测，电力系统故障气体检测等，而使用上述气室很难同时满足气体传感器高探测灵敏度和快速响应的要求。
技术实现思路
针对目前直接吸收型光纤气体测量装置在测量过程中，探测灵敏度不高以及无法快速响应等问题，本专利技术提供了一种法布里-珀罗谐振腔光纤传感器。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，包括轴心在同一条直线上且依次排布的第一标准光纤陶瓷插芯、第二标准光纤陶瓷插芯、第三标准光纤陶瓷插芯、第四标准光纤陶瓷插芯；所述第一标准光纤陶瓷插芯和所述第二标准光纤陶瓷插芯通过第一套管实现套接，所述第三标准光纤陶瓷插芯和第四标准光纤陶瓷插芯通过第二套管实现套接；还包括插接于所述第一标准光纤陶瓷插芯的第一单模光纤，插接于所述第四标准光纤陶瓷插芯的第二单模光纤及一端插接于所述第二标准光纤陶瓷插芯另一端插接于第三标准光纤陶瓷插芯的空芯光子带隙光纤；所述第一单模光纤、第二单模光纤及空芯光子带隙光纤与所述第一标准光纤陶瓷插芯均共轴；所述第一单模光纤插接于所述第一标准光纤陶瓷插芯的内径里，并与所述第一标准光纤陶瓷插芯靠近所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面齐平；在所述第一单模光纤靠近所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面以及所述第一标准光纤陶瓷插芯靠近所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面上均镀覆有第一介质膜；与所述第一介质膜正相对的所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面到所述第一介质膜的距离大于0而小于1μm；所述第二单模光纤插接于所述第四标准光纤陶瓷插芯的内径里，并与所述第四标准光纤陶瓷插芯靠近所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面齐平；在所述第二单模光纤靠近所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面以及所述第四标准光纤陶瓷插芯靠近所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面上均镀覆有第二介质膜；与所述第二介质膜正相对的所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面到所述第二介质膜的距离大于0而小于1μm；所述空芯光子带隙光纤的一端与所述第二标准光纤陶瓷插芯靠近所述第一标准光纤陶瓷插芯的端面齐平，另一端与所述第三标准光纤陶瓷插芯靠近所述第四标准光纤陶瓷插芯的端面齐平。本专利技术提供的法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，采用空芯光子带隙光纤形成的全光纤气室代替原有的自由空间气室，因此无需复杂的光学对准；以第一介质膜和第二介质膜作为谐振腔的两个反射面，第一介质膜至第二介质膜的长度结合空芯光子带隙光纤的纤芯共同构成了谐振腔，增加光与气体相互作用的有效光程，缩短空芯光子带隙光纤的实际长度，以此缩短进气时间来提高响应速度，精准度高，可以同时满足高探测灵敏度和快速响应的要求，大大提高了传感器的适用性。进一步地，在上述法布里-珀罗谐振腔光纤传感器的基础上，本专利技术还提供所述法布里-珀罗谐振腔光纤传感器的制造方法。所述法布里-珀罗谐振腔光纤传感器的制造方法，至少包括以下步骤：步骤S01、将第一单模光纤插入第一标准光纤陶瓷插芯内，并保持所述第一单模光纤的一端面与所述第一标准光纤陶瓷插芯的一端面齐平；步骤S02、将所述第一单模光纤和所述第一标准陶瓷插芯相互齐平的端面进行打磨处理，然后在打磨处理后的所述端面进行镀覆第一介质膜的镀覆处理，使所述第一介质膜镀覆于所述第一单模光纤和所述第一标准陶瓷插芯的端面；步骤S03、将空芯光子带隙光纤的一端插入第二标准光纤陶瓷插芯，并使得插入所述第二标准光纤陶瓷插芯的所述空芯光子带隙光纤的端面与所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面齐平；步骤S04、将所述第一标准光纤陶瓷插芯镀覆有所述第一介质膜的一端与所述第二标准光纤陶瓷插芯的一端分别插入第一套管，使所述第一标准光纤陶瓷插芯和所述第二标准光纤陶瓷插芯正对且相互固定，并确保插入所述第一套管的所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面到所述第一介质膜的距离大于0而小于1μm；步骤S05、将所述空芯光子带隙光纤另一端插入第三标准光纤陶瓷插芯，并使得插入所述第三标准光纤陶瓷插芯的所述空芯光子带隙光纤的端面与所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面齐平；步骤S06、将第二单模光纤插入第四标准光纤陶瓷插芯内，并保持所述第二单模光纤的一端面与所述第四标准光纤陶瓷插芯的一端面齐平；步骤S07、将所述第二单模光纤和所述第四标准陶瓷插芯相互齐平的端面进行打磨处理，然后在打磨处理后的所述端面进行镀覆第二介质膜的镀覆处理，使所述第二介质膜镀覆于所述第二单模光纤和所述第四标准陶瓷插芯的端面；步骤S08、将所述第四标准光纤陶瓷插芯镀覆有所述第二介质膜的一端与所述第三标准光纤陶瓷插芯的一端分别插入第二套管，使所述第三标准光纤陶瓷插芯和所述第四标准光纤陶瓷插芯正对且相互固定，并确保插入所述第二套管的所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面到所述第二介质膜的距离大于0而小于1μm。本专利技术提供的法布里-珀罗谐振腔光纤传感器的制造方法，具有工艺简单、操作方便、可行性高，而且制造的光纤传感器结构紧凑、精细等特点，可以同时满足高探测灵敏度和快速响应的要求，并且精准度高，极大的提高了传感器的适用性。更进一步地，本专利技术还提供所述法布里-珀罗谐振腔光纤传感器的气体检测方法。所述气体检测方法，至少包括如下步骤：步骤a.将所述法布里-珀罗谐振腔光纤传感器的空芯光子带隙光纤放置并固定在压电陶瓷上，并将所述法布里-珀罗谐振腔光纤传感器和所述压电陶瓷置于气体腔室内，所述压电陶瓷的电信号端口连接信号发生器；所述法布里-珀罗谐振腔光纤传感器的第一单模光纤与分布反馈式激光器连接、第二单模光纤与光电探测器连接；步骤b.将所述分布反馈式激光器的激光波长调节至待测气体吸收线附近，并扫描所述分布反馈式激光器的激光波长观察所述待测气体吸收线附近的谐振腔光谱，通过所述信号发生器施加一个直流的电压到所述压电陶瓷上，实现所述法布里-珀罗谐振腔光纤传感器谐振腔腔长的调节以改变谐振峰的位置，确保所述谐振腔其中一个谐振峰对准所述待测气体吸收线中心，以及确保所述激光器的激光波长、所述谐振峰和所述待测气体吸收线中心三者均对准重合；同时对激光器的激光波长进行周期性的波长调制，以获得谐振峰的一组二阶信号输出；步骤c.将待测气体填充至所述气体腔室内，使所述待测气体填充进所述空芯光子带隙光纤的谐振腔内；步骤d.在有所述待测气体和没有所述待测气体的两种情况下重复上述步骤b，并记录得到的两组二阶信号；步骤e.通过对比步骤d中获得的两组二阶信号输出可以得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种法布里‑珀罗谐振腔光纤传感器，其特征在于：包括轴心在同一条直线上且依次排布的第一标准光纤陶瓷插芯、第二标准光纤陶瓷插芯、第三标准光纤陶瓷插芯、第四标准光纤陶瓷插芯；所述第一标准光纤陶瓷插芯和所述第二标准光纤陶瓷插芯通过第一套管实现套接，所述第三标准光纤陶瓷插芯和第四标准光纤陶瓷插芯通过第二套管实现套接；还包括插接于所述第一标准光纤陶瓷插芯的第一单模光纤，插接于所述第四标准光纤陶瓷插芯的第二单模光纤及一端插接于所述第二标准光纤陶瓷插芯另一端插接于第三标准光纤陶瓷插芯的空芯光子带隙光纤；所述第一单模光纤、第二单模光纤及空芯光子带隙光纤与所述第一标准光纤陶瓷插芯均共轴；所述第一单模光纤插接于所述第一标准光纤陶瓷插芯的内径里，并与所述第一标准光纤陶瓷插芯靠近所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面齐平；在所述第一单模光纤靠近所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面以及所述第一标准光纤陶瓷插芯靠近所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面上均镀覆有第一介质膜；与所述第一介质膜正相对的所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面到所述第一介质膜的距离大于0而小于1μm；所述第二单模光纤插接于所述第四标准光纤陶瓷插芯的内径里，并与所述第四标准光纤陶瓷插芯靠近所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面齐平；在所述第二单模光纤靠近所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面以及所述第四标准光纤陶瓷插芯靠近所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面上均镀覆有第二介质膜；与所述第二介质膜正相对的所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面到所述第二介质膜的距离大于0而小于1μm；所述空芯光子带隙光纤的一端与所述第二标准光纤陶瓷插芯靠近所述第一标准光纤陶瓷插芯的端面齐平，另一端与所述第三标准光纤陶瓷插芯靠近所述第四标准光纤陶瓷插芯的端面齐平。...

【技术特征摘要】
1.一种法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，其特征在于：包括轴心在同一条直线上且依次排布的第一标准光纤陶瓷插芯、第二标准光纤陶瓷插芯、第三标准光纤陶瓷插芯、第四标准光纤陶瓷插芯；所述第一标准光纤陶瓷插芯和所述第二标准光纤陶瓷插芯通过第一套管实现套接，所述第三标准光纤陶瓷插芯和第四标准光纤陶瓷插芯通过第二套管实现套接；还包括插接于所述第一标准光纤陶瓷插芯的第一单模光纤，插接于所述第四标准光纤陶瓷插芯的第二单模光纤及一端插接于所述第二标准光纤陶瓷插芯另一端插接于第三标准光纤陶瓷插芯的空芯光子带隙光纤；所述第一单模光纤、第二单模光纤及空芯光子带隙光纤与所述第一标准光纤陶瓷插芯均共轴；所述第一单模光纤插接于所述第一标准光纤陶瓷插芯的内径里，并与所述第一标准光纤陶瓷插芯靠近所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面齐平；在所述第一单模光纤靠近所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面以及所述第一标准光纤陶瓷插芯靠近所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面上均镀覆有第一介质膜；与所述第一介质膜正相对的所述第二标准光纤陶瓷插芯的端面到所述第一介质膜的距离大于0而小于1μm；所述第二单模光纤插接于所述第四标准光纤陶瓷插芯的内径里，并与所述第四标准光纤陶瓷插芯靠近所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面齐平；在所述第二单模光纤靠近所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面以及所述第四标准光纤陶瓷插芯靠近所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面上均镀覆有第二介质膜；与所述第二介质膜正相对的所述第三标准光纤陶瓷插芯的端面到所述第二介质膜的距离大于0而小于1μm；所述空芯光子带隙光纤的一端与所述第二标准光纤陶瓷插芯靠近所述第一标准光纤陶瓷插芯的端面齐平，另一端与所述第三标准光纤陶瓷插芯靠近所述第四标准光纤陶瓷插芯的端面齐平。2.如权利要求1所述的法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，其特征在于：所述第一介质膜由折射率为2～3的若干第一膜层和折射率为1.2～1.8的若干第二膜层相互交替层叠而成；所述第二介质膜由折射率为2～3的若干第一膜层和折射率为1.2～1.8的若干第二膜层相互交替层叠而成。3.如权利要求2所述的法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，其特征在于：构成所述第一膜层的材料为二氧化钛、五氧化二钽、二氧化铪、二氧化锆中的任一种；构成所述第二膜层的材料为二氧化硅、氟化镁中的任一种。4.如权利要求1～2任一项所述的法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，其特征在于：所述第一介质膜、第二介质膜的厚度均为1μm～10μm；所述第一介质膜、第二介质膜的反射率为99.0％～99.9％。5.如权利要求1～2任一项所述的法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，其特征在于：所述第一标准光纤陶瓷插芯、第二标准光纤陶瓷插芯、第三标准光纤陶瓷插芯及第四标准光纤陶瓷插芯的内径均为120μm～128μm。6.如权利要求1所述的法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，其特征在于：所述第一单模光纤、第二单模光纤、空芯光子带隙光纤的直径为120μm～128μm。7.如权利要求1所述的法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，其特征在于：所述空芯光子带隙光纤的纤芯直径为8μm～15μm。8.如权利要求1所述的法布里-珀罗谐振腔光纤传感器，其特征在于：所述第一标准光纤陶瓷插芯、第二标准光纤陶瓷插芯、第三标准光纤陶瓷插芯、第四标准光纤陶瓷插芯的外径为2mm～3mm；所述第一套管、第二套管的内径为2mm～3mm。9.如权利要求1～...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳伟，谭艳珍，杨帆，何海律，
申请(专利权)人：香港理工大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44