一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置制造方法及图纸

一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，由宽带光源、光环形器、包层空气孔涂覆聚合物敏感薄膜的光子晶体光纤甲烷传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光谱分析仪和计算机构成。其中，光纤甲烷传感器由单模光纤、光子晶体光纤以及两者的熔接区域构成，采用的光子晶体光纤为无截止单模实芯光子晶体光纤；聚合物敏感薄膜为含笼形分子E‑(OC

A photonic crystal fiber methane sensing device based on inter mode interference

A kind of photonic crystal fiber methane sensor based on modular interference, a broadband light source, an optical circulator, air holes in the cladding coating polymer sensitive thin film photonic crystal fiber methane sensor, test chamber, a switch valve, a mass flow controller, spectrum analyzer and computer composition. The methane sensor consists of a single-mode fiber, photonic crystal fiber and the weld region, the photonic crystal fiber for endless single mode solid core photonic crystal fiber; polymer films containing sensitive Cryptophane E (OC

【技术实现步骤摘要】
一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种获取甲烷浓度的基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置。
技术介绍
光纤气体传感器具有电绝缘性好、抗强电磁干扰、本质安全、体积小、耐腐蚀等特点，特别适宜易燃、易爆、高温等恶劣环境使用，可用于工业气体在线监测、有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测等。光子晶体光纤(PCF，PhotonicCrystalFiber)是一种折射率呈周期性变化的人工构建的光物理功能材料，其横截面上含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿光纤整个长度，光波被限制在低折射率纤芯区域内传播。光子晶体光纤具有无截止单模、不同的色度色散、极好的非线性效应和双折射效应、较高的入射功率、可多芯传输等特点，是开发高性能光纤气体传感器重要平台。根据导光机制的不同，光子晶体光纤分为实芯光子晶体光纤(也称折射率引导型光子晶体光纤，Index-GuidingPCF)和空芯光子晶体光纤(也称空芯光子带隙光纤，HollowCorePhotonicBand-GapPCF)。对于基于光谱吸收原理的光子晶体光纤甲烷传感器而言，HooYL等(IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2003,15(10):1434～1436)建立了以横截面呈六角形分布的实芯光子晶体光纤为平台的甲烷传感器，通过测量实芯光子晶体光纤中由倏逝波吸收引起的光衰减，进而获取气体扩散系数。但是，这种倏逝波光衰减测量方式的能量利用率较低，仅占全部传输功率的6％。而采用空芯光子晶体光纤进行吸收传感更具优势，因检测样品处于纤芯区域内使分布在纤芯区域内的光功率很高(约占95％)，故光谱吸收型空芯光子晶体光纤传感器的检测灵敏度和准确性更高。对此，CubillasAM等(Sensors,2009,9(8):6261～6272)以空芯光子晶体光纤为气体池，制作了基于近红外吸收的光纤甲烷传感器，具有体积小、与气体作用长度长等特点，气体在空芯光子晶体光纤的填充时间与光纤长度和几何形状有关；CubillasAM等(OpticsExpress,2007,15(26):17570～17576)还开展了基于1670nm空芯光子晶体光纤气体传感器研究，使测量能够在甲烷的最强吸收峰1670nm处实现，信噪比高，检测限10ppm；LazaroJM等(Proc.ofSPIE,2008,7004:70044U-1～4)针对空芯光子晶体光纤气体传感器存在的气体填充时间长、响应时间更长等不足，通过多光纤耦合缩短响应时间；ParryJP等(MeasurementScienceandTechnology,2009,20(7):075301-1～8)利用1550nm空芯光子晶体光纤制作一种紧凑、低容量的甲烷和乙炔气体传感器，但仍存在被探测样品折射率影响出射光强、空芯易被污染、清洗复杂、环境要求高、光源稳定性要求也高、甲烷选择性有待进一步提高等问题。为了解决光谱吸收型光子晶体光纤甲烷传感器问题，人们提出了一种基于模间干涉的实芯光子晶体光纤传感器解决方案，其核心是基于包层空气孔特性变化导致的包层模有效折射率改变。当包层空气孔注入液体时可形成液体折射传感器，JhaR,VillatoroJ等(AppliedPhysicsLetters,2008,93(19):191106-1～3；OpticsLetters,2009,34(5):617～619；Proc.ofSPIE,2009,7316:73161B-1～6)提出了反射/透射型光子晶体光纤干涉仪并用于液体折射率测量，折射率变化范围1.320～1.440，其稳定性好、分辨率高、温度敏感性低；黄静等(Proc.ofSPIE,2013,9044:90440S-1～5)还对基于模间干涉的光子晶体光纤折射率传感器进行模拟计算，并进行了液体折射率传感器实验佐证，表明理论计算与实验结果的一致性。同时，VillatoroJ等(OpticsExpress,2009,17(3):1447～1453；Proc.ofSPIE,2009,7316:73161A-1～6)还提出了基于折射率变化的模间干涉型光子晶体光纤气体传感器，其传感原理是填充于包层空气孔的介质折射率影响包层模有效折射率，而包层空气孔的介质折射率与待测气体浓度相关，该传感器由一段光子晶体光纤与普通标准单模光纤熔接而成，当光子晶体光纤包层空气孔渗入挥发性有机化合物时，其反射光谱呈正弦干涉条纹，检测水平达纳摩尔量级。但是，这种气体传感器仅以挥发性有机化合物密度变化为依据，选择性差，灵敏度不高。
技术实现思路
为了克服现有技术不足，充分发挥模间干涉型光子晶体光纤的波长调制、对包层空气孔介质折射率敏感、抗环境温度和光纤曲率变化干扰以及笼形分子E-(OC2H5)6对甲烷气体选择性高等优点，本专利技术设计一种稳定性好、灵敏度高的模间干涉型光子晶体光纤甲烷传感装置。其传感过程是以含笼形分子E-(OC2H5)6的聚碳酸酯树脂的聚合物薄膜作为甲烷敏感材料，涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁以形成甲烷传感器，当甲烷气体进入包层空气孔并与敏感薄膜特异性相互作用时膜层折射率发生变化，使包层模有效折射率改变进而影响反射干涉谱特征波长，即可实现对甲烷气体高灵敏度、高选择性、高稳定性检测。为实现上述专利技术目的，本专利技术所采取的技术方案如下：一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，包括宽带光源、光环形器、包层空气孔涂覆敏感薄膜的光子晶体光纤甲烷传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光谱分析仪和计算机构成。所述光纤甲烷传感器由单模光纤、光子晶体光纤以及两者的熔接区域构成，单模光纤的另一端通过光环形器的输入端连接到宽带光源，光环形器的输出端连接光谱分析仪和计算机；光纤甲烷传感器位于测试气室内，测试气室有通入待测甲烷气体的进气口和出气口，进气口通过开关阀门连接控制待测甲烷气体的质量流量控制器。所述敏感薄膜涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁，光子晶体光纤开口端与待测甲烷气体直接相通。所述含笼形分子E-(OC2H5)6的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜是将聚碳酸酯树脂、笼形分子E-(OC2H5)6溶于四氢呋喃，超声波混合均匀后，通过气压驱动装置涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁。所述试剂用量分别为笼形分子E-(OC2H5)6135μmol，聚碳酸酯树脂1g，四氢呋喃20mL。该传感装置的工作原理如下：光子晶体光纤甲烷传感器反射干涉谱第m级干涉的特征波长λm：λm＝2ΔneffL/m(1)其中:Δneff为光子晶体光纤纤芯基模有效折射率与包层模有效折射率的差值m为整数，是干涉级次；L是模间干涉长度。由于甲烷气体浓度变化引起敏感薄膜折射率变化较小，相应的光波累积相位差小于2π，根据式(1)可得△λm≈2πLδ(△neff)(2)其中：△λm为第m级干涉条纹特征波长移动量；δ(△neff)为某一甲烷气体浓度(c)的△neff(c)相对于甲烷气体浓度为0的△neff(0)的变化量，即δ(△neff)＝△neff(c)-△neff(0)。由式(2)可知，当模间干涉长度L一定时，干涉条纹特征波长的漂移量将随着甲烷气体浓度的变化而改变。为了减小测量误差，选择M个反射干涉谱特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，包括宽带光源、光环形器、光纤甲烷传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光谱分析仪和计算机；所述宽带光源通过光环形器的输入端连接到光纤甲烷传感器的单模光纤，光纤甲烷传感器的反射干涉信号返回到单模光纤并通过光环形器的输出端连接光谱分析仪和计算机；所述光纤甲烷传感器位于测试气室内，测试气室有通入待测甲烷气体的进气口和出气口，进气口通过开关阀门连接控制待测甲烷气体的质量流量控制器；其特征在于：所述光纤甲烷传感器由单模光纤、光子晶体光纤以及两者的熔接区域构成，采用无截止单模实芯光子晶体光纤，在光子晶体光纤包层空气孔内壁涂覆有聚合物敏感薄膜，所述聚合物敏感薄膜为含笼形分子E‑(OC

【技术特征摘要】
1.一种基于模间干涉的光子晶体光纤甲烷传感装置，包括宽带光源、光环形器、光纤甲烷传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光谱分析仪和计算机；所述宽带光源通过光环形器的输入端连接到光纤甲烷传感器的单模光纤，光纤甲烷传感器的反射干涉信号返回到单模光纤并通过光环形器的输出端连接光谱分析仪和计算机；所述光纤甲烷传感器位于测试气室内，测试气室有通入待测甲烷气体的进气口和出气口，进气口通过开关阀门连接控制待测甲烷气体的质量流量控制器；其特征在于：所述光纤甲烷传感器由单模光纤、光子晶体光纤以及两者的熔接区域构成，采用无截止单模实芯光子晶体光纤，在光子晶体光纤包层空气孔内壁涂覆有聚合物敏感薄膜，所述聚合物敏感薄膜为含笼形分子E-(OC2H5)6的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜，其膜厚为200～300nm；所述含笼形分子E-(OC2H5)6的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜是将聚碳酸酯树脂、笼形分子E-(OC2H5)6溶于四氢呋喃，超声混合均匀而得，用量分别为笼形分子E-(OC2H5)6135μmol，聚碳酸酯树脂1g，四氢呋喃20mL；所述含笼形分子E-(OC2H5)6的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜通过气压驱动装置涂覆于光子晶体光纤包层空气孔内壁；通过气压驱动装置涂覆含笼形分子E-(OC2H5)6的聚碳酸酯树脂甲烷敏感薄膜方法如下：(1)将光子晶体光纤固定于气压驱动装置底座的底部，溶液流动方向为自上而下；(2)采用气压驱动装置，施加氮气压力0.15MPa，依次用蒸馏水、无水乙醇、丙酮清洗长度l＝30cm的光子晶体光纤包层空气孔；(3)采用气压驱动装置，施加氮气压力0.15MPa，使γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷偶联剂水溶液通过光子晶体光纤包层空气孔，形成硅烷偶联剂薄膜；(4)采用气压驱动装置，施加氮气压力0.15MPa，使含笼形分子E-(OC2H5)6、聚碳酸酯树脂、四氢呋喃...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建春，车鑫，周浪，陈伟民，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50