基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器制造技术

基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器，属于气体浓度测量技术领域。本发明专利技术解决了现有光纤气体传感器的灵敏度有待提升的问题。本发明专利技术的创新点在于：包括FP干涉计和Sagnac干涉计；泵浦激光器、隔离器II与环形器依次连接；环形器、滤波器、光谱仪依次连接；Sagnac干涉计和FP干涉计串联设置在隔离器I与环形器之间的光路上，保偏空芯光子晶体光纤和耦合器II构成Sagnac干涉计。本发明专利技术将Sagnac干涉计与FP干涉计串联，使其产生游标效应，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度，使被测气体测量灵敏度提高1‑2个数量级。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器
本专利技术涉及一种气体传感器，具体涉及一种基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器，属于气体浓度测量

技术介绍
对于气体浓度的测量，通常采用空间光谱吸收法进行测量，为了提高灵敏度需要大体积气室，导致仪器体积庞大，难以实现在线检测。光纤气体传感技术在气体检测技术中属于后起之秀，在20世纪70年代才走进人们的视野。光纤气体传感器传输功率损耗小，适合长距离测量，在高温、高压等恶劣环境下有较强优势，结构简单，灵敏度高，稳定可靠。鉴于以上种种独特的优势得到了众多科研工作者的青睐，在实际应用中的地位也逐渐提升，但是现有光纤气体传感器的灵敏度还有待提升。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本专利技术为了解决现有光纤气体传感器的灵敏度有待提升的问题，进而提供一种基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器。将Sagnac环与F-P腔级联，使其产生游标效应，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度。与单个的Sagnac环相比，Sagnac环与FP腔级联结构可以使被测气体测量灵敏度提高1-2个数量级。方案：基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器，包括宽谱光源、隔离器I、耦合器I、耦合器II、保偏空芯光子晶体光纤、泵浦激光器、隔离器II、环形器、滤波器、光谱仪和FP干涉计；所述保偏空芯光子晶体光纤和耦合器II构成Sagnac干涉计；所述宽谱光源、隔离器I和耦合器I依次连接，所述泵浦激光器、隔离器II与环形器依次连接；所述环形器、滤波器、光谱仪依次连接；Sagnac干涉计和FP干涉计串联设置在隔离器I与环形器之间的光路上；探测光的光学路径为：探测光由宽谱光源发出，依次经过隔离器I依次进入耦合器I、FP干涉计后，再由耦合器I依次进入耦合器II、保偏空芯光子晶体光纤后；再由耦合器II依次进入环形器、滤波器、光谱仪；泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦激光器发出，依次经过隔离器II、环形器、耦合器II，然后进入保偏空芯光子晶体光纤。进一步地：所述保偏空芯光子晶体光纤的长度为0.5-5米，保偏空芯光子晶体光纤(保偏HC-PCF)的两端分别与单模光纤熔接，保偏空芯光子晶体光纤的直径与单模光纤相同均为125微米。进一步地：保偏空芯光子晶体光纤的纤芯为空气，纤芯直径为10-30微米；保偏空芯光子晶体光纤的侧面有多个开孔，保证其纤芯与外界相通，开孔的直径为5-20微米，开孔的密度为10-100个/米。进一步地：所述耦合器I、耦合器II的分光比为50：50，光束由耦合器II进入Saganc干涉计后，探测光分成两束光，两束光在Sagnac环内沿相反的方向传输，然后经耦合器II合成一束光，实现干涉。进一步地：所述泵浦激光器为窄带DFB激光器，泵浦激光器的波长与被测气体的吸收峰重合，保证被测气体对泵浦光有强烈的吸收，宽谱光源作为探测激光器，由于其能量谱密度远小于泵浦光，因此探测光对其吸收可忽略不计。当泵浦光进入保偏空芯光子晶体光纤时，被测气体因吸收泵浦光而温度升高，导致保偏空芯光子晶体光纤因温度升高而发生长度变化。进一步地：所述FP干涉计，为长度在5-20毫米范围内的空芯光纤两端与单模光纤熔接形成FP干涉计。进一步地：所述空芯光纤的空芯的直径与单模光纤相同均为125微米，空芯光纤的纤芯为空气，纤芯直径均为10-30微米。本专利技术所达到的效果为：本专利技术将Sagnac环与F-P腔级联，使其产生游标效应，利用游标效应的增敏特性来提高气体测量灵敏度。与单个的Sagnac环相比，Sagnac环与FP腔级联结构可以使被测气体测量灵敏度提高1-2个数量级，该结构对外界振动具有极高的抗干扰能力。附图说明图1为本专利技术基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器结构图；图2为Sagnac干涉计的干涉谱图；图3为FP干涉计结构图；图4为FP干涉计的干涉谱图；图5为干涉谱包络图。具体实施方式为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本专利技术公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在申请文件中仅仅示出了与根据本专利技术的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本专利技术关系不大的其他细节。实施例1：参见图1至图5，本实施方式的基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器，包括宽谱光源、隔离器I、耦合器I、耦合器II、保偏空芯光子晶体光纤、泵浦激光器、隔离器II、环形器、滤波器、光谱仪和FP干涉计；所述保偏空芯光子晶体光纤和耦合器II构成Sagnac干涉计；所述宽谱光源、隔离器I和耦合器I依次连接，所述泵浦激光器、隔离器II与环形器依次连接；所述环形器、滤波器、光谱仪依次连接；Sagnac干涉计和FP干涉计串联设置在隔离器I与环形器之间的光路上。其中，Sagnac干涉计。长度在0.5-5米之间保偏空芯光子晶体光纤(保偏HC-PCF)位于Saganc光纤环内，保偏空芯光子晶体光纤的两端分别与单模光纤熔接。保偏空芯光子晶体光纤的直径与单模光纤相同均为125微米，保偏HC-PCF的纤芯为空气，纤芯直径均为10-30微米。保偏空芯光子晶体光纤的侧面有多个开孔，保证其纤芯与外界相通，开孔的直径均为5-20微米，开孔的密度为10-100个/米。当宽谱光源发出的探测光由耦合器II(分光比为50:50)进入Saganc干涉计后，探测光分成两束，两束光在Sagnac环内沿相反的方向传输，然后经耦合器II合成一束光，实现干涉，干涉后光强Isagnac可以表示为：其中，B和L分别为保偏空芯光子晶体光纤的双折射系数和长度，λ为探测光的波长。干涉谱如图2所示。Sagnac干涉计的干涉谱波谷满足：其中，m1为整数，λm1为干涉谱波谷对应的波长。Sagnac干涉计的干涉谱的自由光谱范围FSR1为：将(2)式对L微分得干涉谱平移量与保偏空芯光子晶体光纤长度之间的关系为：其中，ΔλSagnac为Sagnac干涉计干涉谱的平移量，ΔL为保偏空芯光子晶体光纤的长度变化量。光热光谱技术。泵浦激光器为窄带DFB激光器，泵浦激光器的波长与被测气体的吸收峰重合，保证被测气体对泵浦光有强烈的吸收。探测激光器为宽谱光源，由于其能量谱密度远小于泵浦光，因此探测光对其吸收可忽略不计。当泵浦光进入保偏空芯光子晶体光纤时，被测气体因吸收泵浦光而温度升高，导致保偏空芯光子晶体光纤因温度升高而长度变化。保偏空芯光子晶体光纤长度的变化量可表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器，其特征在于：包括宽谱光源、隔离器I、耦合器I、耦合器II、保偏空芯光子晶体光纤、泵浦激光器、隔离器II、环形器、滤波器、光谱仪和FP干涉计；所述保偏空芯光子晶体光纤和耦合器II构成Sagnac干涉计；所述宽谱光源、隔离器I和耦合器I依次连接，所述泵浦激光器、隔离器II与环形器依次连接；所述环形器、滤波器、光谱仪依次连接；Sagnac干涉计和FP干涉计串联设置在隔离器I与环形器之间的光路上；探测光的光学路径为：探测光由宽谱光源发出，依次经过隔离器I依次进入耦合器I、FP干涉计后，再由耦合器I依次进入耦合器II、保偏空芯光子晶体光纤后；再由耦合器II依次进入环形器、滤波器、光谱仪；泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦激光器发出，依次经过隔离器II、环形器、耦合器II，然后进入保偏空芯光子晶体光纤。

【技术特征摘要】
1.基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器，其特征在于：包括宽谱光源、隔离器I、耦合器I、耦合器II、保偏空芯光子晶体光纤、泵浦激光器、隔离器II、环形器、滤波器、光谱仪和FP干涉计；所述保偏空芯光子晶体光纤和耦合器II构成Sagnac干涉计；所述宽谱光源、隔离器I和耦合器I依次连接，所述泵浦激光器、隔离器II与环形器依次连接；所述环形器、滤波器、光谱仪依次连接；Sagnac干涉计和FP干涉计串联设置在隔离器I与环形器之间的光路上；探测光的光学路径为：探测光由宽谱光源发出，依次经过隔离器I依次进入耦合器I、FP干涉计后，再由耦合器I依次进入耦合器II、保偏空芯光子晶体光纤后；再由耦合器II依次进入环形器、滤波器、光谱仪；泵浦光的光学路径为：泵浦光由泵浦激光器发出，依次经过隔离器II、环形器、耦合器II，然后进入保偏空芯光子晶体光纤。2.根据权利要求1所述的基于光纤Sagnac环与光纤FP腔级联增敏的光谱探测型气体传感器，其特征在于：所述保偏空芯光子晶体光纤的长度为0.5-5米，保偏空芯光子晶体光纤的两端分别与单模光纤熔接，保偏空芯光子晶体光纤的直径与单模光纤相同均为125微米。3.根据权利要求2所述的基于光纤Sagnac环与光纤FP...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉强，姜久兴，李林军，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23