微型空芯光纤气体探头制造技术

公开了一种光纤气体探头，包括空芯光纤(1)、实芯的光子晶体光纤(2)和传输光信号的全固光纤(3)；空芯光纤(1)一端与全固光纤(3)连接，另一端与光子晶体光纤(2)熔接，空芯光纤(1)的微结构包层(5)在熔接点(11)附近形成局部坍塌区(6)；光子晶体光纤(2)远离空芯光纤(1)的一端具有抑制额外的端面反射的倾斜端面，光子晶体光纤(2)中贯穿整个光纤长度的微孔(8)经过局部坍塌区(6)与空芯光纤(1)的纤芯(4)连通。本发明专利技术的光纤气体探头结构紧凑可靠、损耗低、具有内嵌气体进出通道。

【技术实现步骤摘要】
微型空芯光纤气体探头
本专利技术属于光纤气体传感
，具体涉及基于空芯光纤的微型气体探头及其制作方法。
技术介绍
空芯微结构光纤中光波能以较大的能量密度在中空纤芯中传输较长的距离，为高性能的气体分析探测技术提供了优异的光与气体相互作用平台。目前，基于空芯光纤的直接吸收、光热、拉曼、衰荡腔等多种光谱学技术已被应用于痕量气体探测并展现出独特的性能，在能源、医疗、航空航天领域具有较大的引用前景。空芯光纤进行气体探测时常用透镜系统将光波耦合进入光纤空芯中，这种方法中待测气体可以通过空芯光纤两端进入光纤内部，但系统需要用到分立的光学元件和稳定的耦合平台，会一定程度带来气体探测系统长期稳定性不足和体积偏大的问题。另一种方法是使用热熔技术将用于传感的空芯光纤与光源的输出光纤进行熔接，通过优化熔接参数和选择光纤种类，也可以实现低损耗的连接，但用于气体探测时通常需要使用微加工技术(如飞秒激光微加工)在空芯光纤上进行开孔，使待测气体能够进入探测光纤的空芯中与传输光发生相互作用，而使用微加工技术开孔耗时较长且需要用到昂贵的加工设备。还有一种方法是使用精密的机械夹具，使空芯光纤与光源的输出光纤直接进行机械对接，对接的缝隙可以作为气体进出空芯光纤的通道。然而这种方法中缝隙的大小难以控制且会影响连接点的光学特性；夹持光纤进行精确对准的夹具材料通常与光纤不同，具有不同的热膨胀等物理特性，这在使用中会带来性能的不稳定；此外，额外的夹具也会引起探头体积的增加。
技术实现思路
本专利技术提出一种结构紧凑可靠、损耗低、具有内嵌气体进出通道的微型空芯光纤气体探头。根据本专利技术实施例的一方面，提供一种光纤气体探头，包括空芯光纤、实芯的光子晶体光纤和传输光信号的全固光纤；所述空芯光纤一端与所述全固光纤连接，另一端与所述光子晶体光纤熔接，所述空芯光纤的微结构包层在熔接点附近形成局部坍塌区；所述光子晶体光纤远离所述空芯光纤的一端具有抑制额外的端面反射的倾斜端面，所述光子晶体光纤中贯穿整个光纤长度的微孔经过所述局部坍塌区与所述空芯光纤的纤芯连通。在上述的光纤气体探头，所述光子晶体光纤的实芯区域直径大于空芯光纤模场直径的80％。在上述的光纤气体探头，所述光子晶体光纤的实芯区域直径小于空芯光纤的微结构包层厚度。在上述的光纤气体探头，所述光子晶体光纤的所述微孔直径为1微米至5微米。在上述的光纤气体探头，所述空芯光纤纤芯的直径为10微米至500微米。在上述的光纤气体探头，所述空芯光纤长度为50微米至30厘米。在上述的光纤气体探头，其特征在于，所述空芯光纤的所述倾斜端面与光纤轴成8°以上的斜角。在上述的光纤气体探头，所述空芯光纤与所述全固光纤通过热熔或物理接触的方法对接在一起。在上述的光纤气体探头，所述空芯光纤与所述光子晶体光纤和所述全固光纤的连接处设有保护结构。在上述的光纤气体探头，所述全固光纤及所述光子晶体光纤分别和所述空芯光纤在连接点的耦合损耗均低至0.5dB。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。图1示出了根据本专利技术的一个实施例的微型空芯光纤气体探头的结构示意图。图2示出了根据本专利技术的一个实施例的空芯光纤截面结构示意图。图3示出了根据本专利技术的一个实施例的微孔型实芯光子晶体光纤截面结构示意图。图4示出了根据本专利技术的一个实施例的用毛细套管进行熔接点保护的空芯光纤探头。图5示出了根据本专利技术的一个实施例的结合光热干涉探测系统进行痕量氨气传感的系统示意图。具体实施方式图1示出了根据本公开的一个实施例的微型空芯光纤气体探头的结构示意图。如图1，所述气体探头包括空芯光纤1、实芯的光子晶体光纤2和全固光纤3。空芯光纤1的纤芯4既是光和待测气体相互作用的气室，又与两端的光纤2，3构成干涉仪结构。空芯光纤1的长度越长，对应气室中光与气体相互作用的长度越长，即探测系统的灵敏度越高，但同时体积也越大，实际中还需要考虑探头结构中的损耗和模式干涉等因素进行优化。空芯光纤1一端与探测光路引出的普通全固光纤3进行低损耗连接(可使用热熔或物理接触的方法使两种光纤对接在一起)，使来自探测光路的泵浦光和探测光均能高效的进出气室与待测气体相互作用，同时使光纤探头整体结构(空芯光纤1+光子晶体光纤2+全固光纤3)的材料一致而具有较好的温度稳定性。空芯光纤1另一端与光子晶体光纤2低损耗熔接。空芯光纤1的微结构包层5在熔接点附近形成局部坍塌区6。此外，空芯光纤1纤芯的直径可为10微米至500微米，长度可为50微米至30厘米。空芯光纤1可以采用光子带隙光纤，反谐振光纤，Kagome光纤等。光子晶体光纤2外层具有贯穿整个光纤长度的微孔8，微孔8经过空芯光纤1微结构包层5上的局部坍塌区6与空芯光纤1的气室连通，构成了待测气体进出空芯光纤1气室的微通道。微孔8直径可为1微米至5微米。光子晶体光纤2的实芯区域直径大于空芯光纤1模场直径的80％，构成所述干涉仪结构的一个反射面。另外，光子晶体光纤2的实芯区域直径小于空芯光纤1微结构包层5厚度。光子晶体光纤2远离空芯光纤1的一端部被切割成倾斜面，以抑制额外的端面反射对所述干涉仪结构的干扰。所述倾斜面与光纤轴成8°以上的斜角。切割点距离空芯光纤1和实芯光子晶体光纤2的熔接点11较近，可小于2厘米，使待测气体能够快速进出空芯光纤1气室4。空芯光纤1与光子晶体光纤2和全固光纤3的连接点用毛细套管12或增强棒配合热熔胶等方法进行保护，以增加探头整体结构的可靠性。毛细套管12内径和增强棒外径略大于其保护位置最大光纤直径，并尽量采用与光纤材料同种或性质接近的材料，以增加探头的温度稳定性。毛细套管12外径可小于3毫米，长度可小于3厘米。本专利技术的微型空芯光纤气体探头可用于基于多种光谱学技术和多种光纤干涉仪结构进行痕量气体传感。下面详细说明用于光热干涉氨气探测系统的空芯光纤探头的制作方法。准备一段在氨气的近红外吸收线附近波段可以低损耗导光的空芯光纤1。氨气近红外的吸收线主要集中在1490nm至1530nm波长范围内，可以选用NKT公司的HC-1550-02型空芯光子带隙光纤(HC-PBF)来制作探头。这种光纤横截面结构如图2所示，其中空纤芯4(气室)的直径约10μm，周围被网状石英结构构成的光子带隙结构9环绕，光子带隙结构9又被光纤外壁15包裹，在1490nm至1530nm波长范围内传输损耗小于30dB/km。由于探头长度通常不会超过1米，因此传输损耗极小。这段HC-PBF两端分别与普通全固单模光纤3(SMF)和内嵌微孔8的实芯光子晶体光纤2(PCF)进行低损耗连接，构成光纤法布里-珀罗型干涉仪(FPI)。其中单模光纤3及光子晶体光纤2分别和空芯光纤1在连接点的耦合损耗均可低至0.5dB。如采用熔接的方法将SMF与PCF连接到HC-PBF上。首先将HC-PBF的一端剥去涂覆层后擦拭干净，使用光纤切割刀切割出平整端面；再用同样的方法将一段SMF的一端切割平整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤气体探头，其特征在于，包括空芯光纤、实芯的光子晶体光纤和传输光信号的全固光纤；所述空芯光纤一端与所述全固光纤连接，另一端与所述光子晶体光纤熔接，所述空芯光纤的微结构包层在熔接点附近形成局部坍塌区；所述光子晶体光纤远离所述空芯光纤的一端具有抑制额外的端面反射的倾斜端面，所述光子晶体光纤中贯穿整个光纤长度的微孔经过所述局部坍塌区与所述空芯光纤的纤芯连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤气体探头，其特征在于，包括空芯光纤、实芯的光子晶体光纤和传输光信号的全固光纤；所述空芯光纤一端与所述全固光纤连接，另一端与所述光子晶体光纤熔接，所述空芯光纤的微结构包层在熔接点附近形成局部坍塌区；所述光子晶体光纤远离所述空芯光纤的一端具有抑制额外的端面反射的倾斜端面，所述光子晶体光纤中贯穿整个光纤长度的微孔经过所述局部坍塌区与所述空芯光纤的纤芯连通。


2.根据权利要求1所述的光纤气体探头，其特征在于，所述光子晶体光纤的实芯区域直径大于空芯光纤模场直径的80％。


3.根据权利要求1或2所述的光纤气体探头，其特征在于，所述光子晶体光纤的实芯区域直径小于空芯光纤的微结构包层厚度。


4.根据权利要求1所述的光纤气体探头，其特征在于，所述光子晶体光纤的所述微孔直径为1微米至5微米。

【专利技术属性】
技术研发人员：汪超，王军华，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42