專利名稱：基于飛秒激光微加工空芯pbgf寫入lpg的m-z型氫氣傳感頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭。
背景技術(shù)：
氫氣是一種無(wú)污染清潔能源，通過(guò)氫氣的燃燒可轉(zhuǎn)換成電能或其他能量，而其反應(yīng)產(chǎn)物只是水汽，無(wú)大氣無(wú)污染，對(duì)于建設(shè)未來(lái)“低碳社會(huì)”具有重要的價(jià)值；因此世界上很多國(guó)家，包括美國(guó)、日本、德國(guó)等都已把氫能源的開(kāi)發(fā)利用作為其國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展任務(wù)，并開(kāi)始大力發(fā)展“氫能經(jīng)濟(jì)”。我國(guó)國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)中明確提出要重點(diǎn)開(kāi)展氫能源的開(kāi)發(fā)和利用。但氫氣是一種易燃、易爆的氣體，在室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氣體中的氫氣濃度達(dá)到4%時(shí)就有可能發(fā)生爆炸。因此氫氣濃度的實(shí)時(shí)傳感監(jiān)測(cè)是氫氣使用和開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的安全保障措施。近年來(lái),光纖氫氣傳感技術(shù)發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)的氫氣傳感技術(shù)相比，光纖氫氣傳感利用光纖作為傳感介質(zhì)，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐久性好、傳輸距離遠(yuǎn)、 無(wú)電操作等優(yōu)點(diǎn)，適合在危險(xiǎn)工作環(huán)境下的遠(yuǎn)程、無(wú)人氫氣單點(diǎn)、多點(diǎn)及分布式傳感檢測(cè)。 雖然光纖氫氣傳感器有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但還存在許多問(wèn)題，如氫敏感膜的制備及工藝、傳感器的結(jié)構(gòu)及優(yōu)化以及壽命和檢測(cè)精度等與實(shí)際需求還有一定距離，有待深入研究。本發(fā)明提出利用飛秒激光在空芯帶隙型光子晶體光纖(PBGF)上微加工兩個(gè)相隔一定距離的長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)，構(gòu)建一個(gè)微結(jié)構(gòu)馬赫曾德型(M-Z)干涉儀，并在空芯 PBGF側(cè)面鍍氫氣敏感的鈀(Pd)合金膜，利用表面等離子共振(SPR)來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣的傳感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭。通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭，其特征在于由空芯PBGF(I)、和第二 LPG(4)組成；在一段空芯PBGF的兩端采用飛秒激光分別刻寫第一 LPG (2)和第二 LPG (4)，在第一 LPG (2)和第二 LPG (4)之間的空芯PBGF(I)表面旋轉(zhuǎn)鍍鈀合金膜⑶。所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭，其特征在于 采用飛秒激光刻寫空芯PBGF，刻寫方式采用正對(duì)著纖芯刻寫或者偏離纖芯刻寫，刻寫深度范圍為空芯PBGF直徑的1/2 3/5。所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭，其特征在于 第一 LPG(2)和第二 LPG(4)的周期范圍為200 800微米。所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭，其特征在于 第一 LPG(2)和第二 LPG(4)之間的空芯PBGF的長(zhǎng)度范圍為I毫米 10厘米。
所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭，其特征在于 第一 LPG (2)和第二 LPG (4)之間的空芯PBGF上鍍膜的長(zhǎng)度范圍為I毫米 10厘米；鈀合金膜(3)的厚度范圍為O. I 2微米。所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭，其特征在于 鈀合金膜(3)的化學(xué)成分為Pd/PVDF或者Pd/W03或者Pd-Au或者Pd_Ag。本發(fā)明的原理是采用飛秒激光正對(duì)纖芯中心打孔(正孔)與偏離纖芯中心打孔 (偏孔)兩種方法在空芯PBGF上相隔一定距離寫入兩個(gè)LPG。LPG的寫入破壞了該段空芯 PBGF的帶隙效應(yīng)，使得纖芯基模的能量部分耦合到包層膜，當(dāng)此包層膜遇到第二個(gè)同樣的 LPG時(shí)，包層膜能量又重新耦合進(jìn)纖芯，與一直在光纖芯里傳輸?shù)幕ぐl(fā)生干涉，干涉后的強(qiáng)度分布I可由如下關(guān)系式表示I=IX+I2 +COS(O))(I)其中，I1為在空芯PBGF纖芯中傳輸光的光強(qiáng)，I2為在包層中傳輸光的光強(qiáng)，Φ為在纖芯與包層中傳輸后的相位差，其值為Φ = 2 31 (ncore-ncladding) L/ λ(2)(2)式中neOTe為纖芯的有效折射率，Iieladding為包層的有效折射率，L為組成M-Z干涉儀干涉臂的長(zhǎng)度，λ為輸入光的中心波長(zhǎng)。同時(shí)表面等尚子波的有效折射率表達(dá)式為Nspr=(3)
\ sM +nS其中ε μ為所鍍金屬膜的介電常數(shù)，ns為金屬鍍層外環(huán)境(氣體或液體)的折射率。當(dāng)某階包層模的有效折射率與表面等離子波的有效折射率匹配時(shí)(Neff(c;ladding) =Nspk), 該階包層模上會(huì)產(chǎn)生表面等離子共振。在由空芯PBGF構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)M-Z干涉儀包層外側(cè)鍍鈀合金薄膜，如圖2所示，鈀合金膜在吸收了氫氣后其機(jī)械性能和折射率等物理性質(zhì)都會(huì)發(fā)生變化，表面等離子體波的有效折射率會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)電磁理論，當(dāng)包層中的光在兩種介質(zhì)的交界面上入射時(shí)，其場(chǎng)量應(yīng)滿足電磁場(chǎng)的邊界條件，在第二層介質(zhì)中一定存在且有一定透射深度的透射場(chǎng)。當(dāng)氫敏介質(zhì)吸氫后其物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，從而影響了對(duì)光波的吸收，反映為光纖包層有效折射率的變化。鈀合金膜吸附氫氣濃度的變化會(huì)改變其有效折射率，當(dāng)包層中的光與鈀合金膜相互作用時(shí)，包層的有效折射率也會(huì)隨鈀合金膜的有效折射率的改變而改變。因此，鈀合金膜吸收氫氣之后，會(huì)使纖芯和包層的有效折射率差發(fā)生改變，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化可以還原待測(cè)氫氣的濃度信息。本發(fā)明的有益效果是采用在空芯PBGF應(yīng)用飛秒激光寫入的LPG具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 精密的特點(diǎn)；同時(shí)通過(guò)在空芯PBGF表面鍍鈀合金膜，利用表面等離子共振以及M-Z干涉原理來(lái)檢測(cè)氫氣濃度，具有精度高、靈敏度高等特點(diǎn)；另外，由于采用的是空芯PBGF，不需要做額外的溫度補(bǔ)償。


圖I為基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭示意圖；圖2為飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的LPG顯微圖；圖3為飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的透射光譜圖4為基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭傳光示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例作進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施實(shí)例I :如圖I所示，基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭，其特征在于由空芯PBGF(I)、和第二 LPG(4)組成；在一段空芯PBGF的兩端采用飛秒激光分別刻寫第一 LPG(2)和第二 LPG(4)，在第一 LPG(2)和第二 LPG(4)之間的空芯 PBGF(I)表面旋轉(zhuǎn)鍍鈀合金膜(3)。采用飛秒激光刻寫空芯PBGF，刻寫方式采用正對(duì)著纖芯刻寫，刻寫深度為空芯 PBGF直徑的1/2，如圖2所示。第一 LPG(2)和第二 LPG(4)的周期為400微米，第一 LPG(2) 和第二 LPG (4)之間的空芯PBGF的長(zhǎng)度為3厘米。第一 LPG (2)和第二 LPG (4)之間的空芯 PBGF上鍍膜的長(zhǎng)度為3厘米；鈀合金膜(3)的厚度為I微米；鈀合金膜(3)的化學(xué)成分為 Pd-Au0第一 LPG(2)和第二 LPG(4)透射光譜如圖3所示，隨著刻寫的周期數(shù)即刻寫的孔的個(gè)數(shù)增加，該透射光譜的光譜深度即損耗也增加；圖4為基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭傳光不意圖，當(dāng)光從空芯PBGF(I)的一端的纖芯中傳輸經(jīng)過(guò)第 -LPG (2)時(shí)，第一 LPG (2)產(chǎn)生多個(gè)包層模進(jìn)入空芯PBGF (I)的包層，而鈀合金膜(3)能感受外界的氫氣濃度的變化而產(chǎn)生表面等離子波，從而影響空芯PBGF(I)的包層模的強(qiáng)度變化，當(dāng)這些包層模進(jìn)入第二 LPG(4)時(shí)，第二 LPG(4)將這些包層模耦合進(jìn)空芯PBGF(I)的纖芯，與在纖芯中的光進(jìn)行干涉，形成一個(gè)M-Z干涉結(jié)構(gòu)。鈀合金膜吸收氫氣之后，會(huì)使纖芯和包層的有效折射率差發(fā)生改變，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化可以檢測(cè)待測(cè)氫氣的濃度信
權(quán)利要求
1.基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭，其特征在于由空芯 PBGF(I)、和第二 LPG(4)組成；在一段空芯PBGF的兩端采用飛秒激光分別刻寫第一 LPG(2) 和第二 LPG(4)，在第一 LPG(2)和第二 LPG(4)之間的空芯PBGF(I)表面旋轉(zhuǎn)鍍鈀合金膜 ⑶。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭， 其特征在于采用飛秒激光刻寫空芯PBGF，刻寫方式采用正對(duì)著纖芯刻寫或者偏離纖芯刻寫，刻寫深度范圍為空芯PBGF直徑的1/2 3/5。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭， 其特征在于第一 LPG(2)和第二 LPG(4)的周期范圍為200 800微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭， 其特征在于第一 LPG (2)和第二 LPG (4)之間的空芯PBGF的長(zhǎng)度范圍為I毫米 10厘米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭， 其特征在于第一 LPG (2)和第二 LPG (4)之間的空芯PBGF上鍍膜的長(zhǎng)度范圍為I毫米 10 厘米；鈀合金膜(3)的厚度范圍為O. I 2微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭， 其特征在于鈀合金膜(3)的化學(xué)成分為Pd/PVDF或者Pd/W03或者Pd-Au或者Pd_Ag。
全文摘要
基于飛秒激光微加工空芯PBGF寫入LPG的M-Z型氫氣傳感頭，其特征在于由空芯PBGF(1)、鈀合金膜(3)和第二LPG(4)組成；在一段空芯PBGF的兩端采用飛秒激光分別刻寫第一LPG(2)和第二LPG(4)，在第一LPG(2)和第二LPG(4)之間的空芯PBGF(1)表面旋轉(zhuǎn)鍍鈀合金膜(3)；當(dāng)光從空芯PBGF(1)的一端的纖芯中傳輸經(jīng)過(guò)第一LPG(2)時(shí)，第一LPG(2)產(chǎn)生多個(gè)包層模進(jìn)入空芯PBGF(1)的包層，而鈀合金膜(3)能感受外界的氫氣濃度的變化而產(chǎn)生表面等離子波，從而影響空芯PBGF(1)的包層模的強(qiáng)度變化，當(dāng)這些包層模進(jìn)入第二LPG(4)時(shí)，第二LPG(4)將這些包層模耦合進(jìn)空芯PBGF(1)的纖芯，與在纖芯中的光進(jìn)行干涉，形成一個(gè)M-Z干涉結(jié)構(gòu)，通過(guò)監(jiān)測(cè)干涉條紋的變化獲得外界氫氣濃度及變化情況，該傳感頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等特點(diǎn)，適合于各種環(huán)境下的氫氣濃度檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/45GK102608071SQ201210042418
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者李萍, 沈常宇, 牟晟, 董新永, 褚金雷, 鄒新, 金尚忠, 鐘川 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院