本發(fā)明屬于光纖濕度傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于PCF空氣腔和傾斜光纖光柵的相對濕度傳感器。

背景技術(shù)：

目前，以機械式和電化學(xué)式濕度計為主的濕度監(jiān)測手段，并不能滿足核工業(yè)和電力傳輸業(yè)中高溫高壓、信號長距離傳輸、強電磁干擾條件下濕度傳感的實際需求。光纖濕度傳感器擺脫了傳統(tǒng)機械/電學(xué)濕度傳感器的框架，創(chuàng)新地以光纖為載體，全面取代了復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，近年來引起了廣泛的關(guān)注和研究。

光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)按照導(dǎo)光原理可分為折射率引導(dǎo)型和光子帶隙型兩種，具有無截止的單模特性，靈活可控的色散特性和優(yōu)異的雙折射特性等。目前，PCF的應(yīng)用研究己覆蓋到通信、傳感、微加工、非線性光學(xué)，乃至醫(yī)藥、環(huán)境、石化等眾多科技領(lǐng)域。

傾斜光纖光柵(Tilted Fiber Bragg Grating，TFBG)是柵平面與光軸存在一定夾角的特殊短周期光柵，該特殊的結(jié)構(gòu)能夠有效激勵對光纖表面環(huán)境高度敏感的包層模，兼具FBG與LPG的優(yōu)點，同時具有低熱敏交叉性和強烈的偏振依賴特性，在光纖傳感領(lǐng)域和解決光纖光柵交叉敏感問題等方面獲得較多的關(guān)注。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于PCF空氣腔和傾斜光纖光柵的相對濕度傳感器，對PCF進(jìn)行腐蝕處理在其內(nèi)部構(gòu)建六邊形空氣腔，以傾斜光纖光柵表面的氧化石墨烯作為濕度敏感介質(zhì)，形成一種結(jié)構(gòu)新穎的基于PCF空氣腔和傾斜光纖光柵的相對濕度光纖傳感器。該氧化石墨烯薄膜吸附和釋出水分子的過程中，相應(yīng)的薄膜折射率發(fā)生變化，結(jié)合傾斜光纖光柵對光纖表面環(huán)境折射率高度敏感的特性實現(xiàn)相對濕度測量的目的。該新型傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高，溫度特性優(yōu)良等優(yōu)點，有效解決濕度傳感過程中的溫度交叉敏感問題。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種基于PCF空氣腔和傾斜光纖光柵的相對濕度傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)，偏振控制器(2)，光纖環(huán)行器(3)，單模光纖(4)，PCF空氣腔(5)，傾斜光纖光柵(6)，氧化石墨烯薄膜(7)，第一光譜儀(8)，第二光譜儀(9)組成；寬帶光源(1)通過偏振控制器(2)與光纖環(huán)行器(3)的a端口相連，光纖環(huán)行器(3)的b端口與單模光纖(4)的左端相連；單模光纖(4)，PCF空氣腔(5)，傾斜光纖光柵(6)和氧化石墨烯薄膜(7)構(gòu)成了濕敏感探頭，其中氧化石墨烯薄膜(7)均勻鍍在傾斜光纖光柵(6)的表面；光纖環(huán)行器(3)的c端口連接至第一光譜儀(8)，傾斜光纖光柵(6)的右端連接至第二光譜儀(9)。

所述的PCF空氣腔(5)長度為3mm～4mm，所用PCF的優(yōu)選型號是LMA-10。

所述的傾斜光纖光柵(6)的有效傾斜角度為6°～10°，柵區(qū)長度為8mm～12mm。

所述的氧化石墨烯薄膜(7)的膜厚為1μm～1.5μm，所用氧化石墨烯的片徑大于500nm。

本發(fā)明的工作原理是：單模光纖(4)的纖芯直徑約為8μm，光能量集中在纖芯中傳播。寬帶光源(1)和偏振控制器(2)相連產(chǎn)生偏振光，由于環(huán)形器單向環(huán)形傳輸?shù)奶匦裕撈窆鈴墓饫w環(huán)行器(3)的a端口進(jìn)入，沿b端口出射并通過PCF空氣腔(5)，傳輸至傾斜光纖光柵(6)。由于傾斜光纖光柵(6)的柵平面與光纖軸向存在一定傾角，傳輸光的耦合條件發(fā)生改變，激勵出兩種不同的傳輸模式，一種是滿足Bragg匹配條件的纖芯模，另一種是滿足包層匹配條件的包層模，該包層模對光纖表面環(huán)境變化，特別是折射率的變化非常敏感，兩者分別沿著纖芯和包層反向傳輸。將氧化石墨烯薄膜(7)均勻地鍍在傾斜光纖光柵(6)的柵區(qū)表面，該薄膜具有良好的濕敏特性，在吸附和釋出水分子的過程中薄膜折射率發(fā)生變化，吸濕程度的不同能顯著地改變包層模的波長。兩種模式經(jīng)過PCF空氣腔(5)與傾斜光纖光柵(6)的熔接點時，由于PCF空氣腔(5)中的細(xì)芯與纖芯直徑不匹配，導(dǎo)致纖芯模和一部分包層模耦合進(jìn)入PCF空氣腔(5)，并在單模光纖(4)與PCF空氣腔(5)的熔接點重新耦合進(jìn)入單模光纖(4)的纖芯。反射光返回到光纖環(huán)行器(3)的b端口，從光纖環(huán)行器(3)的c端口進(jìn)入第一光譜儀(8)，傾斜光纖光柵(6)中的透射光繼續(xù)向前傳輸進(jìn)入第二光譜儀(9)。

傾斜光纖光柵的光柵平面與光纖軸向成一定傾角θ，透射/反射譜中出現(xiàn)各階包層模，其相位匹配條件表示為

λ_Bragg＝2n_{eff，core}*Λ/cos(θ) (1)

${\mathrm{\λ}}_{clad}^i=(n_{eff,core}^i+n_{eff,clad}^i)*\mathrm{\Λ}/cos\left(\mathrm{\θ}\right)---\left(2\right)$

Λ＝Λ_T*cos(θ) (3)

式中，λ_Bragg為Bragg波長，為第i階包層模波長，和分別表示纖芯和包層在波長為時的有效折射率，Λ為θ＝0°時的光柵周期，Λ_T為傾斜光纖光柵(6)的光柵周期。

各階包層模的波長隨著外界介質(zhì)折射率(SRI)變化發(fā)生漂移，可以表示為

${\mathrm{\Δ\λ}}_{clad,SRI}^i=\frac{\mathrm{\Λ}}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}\frac{\∂n_{eff,clad}^i}{\∂n_{SRI}}{\mathrm{\Δn}}_{SRI}---\left(4\right)$

將氧化石墨烯薄膜(7)均勻地鍍在傾斜光纖光柵(6)的柵區(qū)表面。當(dāng)光入射傾斜光纖光柵(6)時，包層模以不同的角度入射包層與氧化石墨烯薄膜(7)的交界面。當(dāng)氧化石墨烯薄膜(7)吸附或者釋出水分子，薄膜折射率發(fā)生變化，可以在傾斜光纖光柵(6)的反射光譜上觀察到包層模波長的漂移。

本發(fā)明的有益效果是：引入對外界介質(zhì)折射率變化高度敏感和低熱敏交叉性的傾斜光纖光柵，大幅提升了該新型濕度傳感器的靈敏度和熱穩(wěn)定性。同時，創(chuàng)新地通過腐蝕處理PCF在光纖內(nèi)部構(gòu)建空氣腔，該設(shè)計能有效增強包層模的耦合效率，有利于獲得更高的靈敏度和加強傳感器的抗干擾能力。氧化石墨烯材料的親水性強，比表面積大，特別適合微小表面積下吸附水分子的情形，提升了傳感頭的響應(yīng)下界。因此，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、可消除溫度交叉敏感等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是一種基于PCF空氣腔和傾斜光纖光柵的相對濕度傳感器的特征裝置示意圖。

圖2是一種基于PCF空氣腔和傾斜光纖光柵的相對濕度傳感器中PCF空氣腔的橫截面示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

參見附圖1，一種基于PCF空氣腔和傾斜光纖光柵的相對濕度傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)，偏振控制器(2)，光纖環(huán)行器(3)，單模光纖(4)，PCF空氣腔(5)，傾斜光纖光柵(6)，氧化石墨烯薄膜(7)，第一光譜儀(8)，第二光譜儀(9)組成；寬帶光源(1)通過偏振控制器(2)與光纖環(huán)行器(3)的a端口相連，光纖環(huán)行器(3)的b端口與單模光纖(4)的左端相連；單模光纖(4)，PCF空氣腔(5)，傾斜光纖光柵(6)和氧化石墨烯薄膜(7)構(gòu)成了濕敏感探頭，其中氧化石墨烯薄膜(7)均勻鍍在傾斜光纖光柵(6)的表面；光纖環(huán)行器(3)的c端口連接至第一光譜儀(8)，傾斜光纖光柵(6)的右端連接至第二光譜儀(9)。具體而言，PCF空氣腔(5)長度為3mm～4mm，所用PCF的優(yōu)選型號是LMA-10。傾斜光纖光柵(6)的有效傾斜角度為6°～10°，柵區(qū)長度為8mm～12mm。氧化石墨烯薄膜(7)的膜厚為1μm～1.5μm，所用氧化石墨烯的片徑大于500nm。

HF酸對PCF進(jìn)行腐蝕在其內(nèi)部構(gòu)建出PCF空氣腔(5)。具體而言，將一段PCF與傾斜光纖光柵(6)進(jìn)行熔接，將其端面切平，然后垂直浸入HF酸溶液中，靜置2min。在毛細(xì)效應(yīng)作用下，HF酸首先進(jìn)入PCF的空氣孔中對管壁進(jìn)行腐蝕，孔徑進(jìn)一步增大，直至整個周期性結(jié)構(gòu)腐蝕消失。同時經(jīng)過腐蝕，PCF中間的實心部分變細(xì)，這一腐蝕過程對單模光纖的損傷較小。最后形成的PCF空氣腔(5)橫截面參見附圖2，在光纖內(nèi)部形成一個內(nèi)壁光滑的六邊形空氣腔。

傾斜光纖光柵(6)表面氧化石墨烯鍍膜的方法是：光纖環(huán)行器(3)的a端口接入中心波長1480nm的激光光源，光源的輸出功率固定為75mW，通光的同時在傾斜光纖光柵(6)表面滴上經(jīng)過超聲分散的濃度為2mg/L的氧化石墨烯酒精懸浮液，持續(xù)加液保持鍍膜區(qū)域濕潤，鍍膜時間為20分鐘。此時，在光壓和光熱效應(yīng)的作用下氧化石墨烯逐漸吸附在光纖表面，鍍膜過程中用第二光譜儀(9)監(jiān)控傾斜光纖光柵(6)的透射光譜，防止光能量過高，結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞。然后取出光纖，置于室溫下自然干燥24小時，從而形成氧化石墨烯薄膜(7)。

本發(fā)明的工作原理是：寬帶光源(1)和偏振控制器(2)組合產(chǎn)生偏振光，經(jīng)過光纖環(huán)行器(3)的a端口，沿b端口進(jìn)入并通過PCF空氣腔(5)，傳輸至傾斜光纖光柵(6)。傾斜光纖光柵(6)的柵平面與光纖軸向存在一定傾角，激勵兩種不同的傳輸模式，其中的包層模對光纖表面環(huán)境折射率的變化非常敏感，沿著包層反向傳輸。將氧化石墨烯薄膜(7)均勻地鍍在傾斜光纖光柵(6)的表面，該薄膜在吸附和釋出水分子的過程中引起薄膜折射率發(fā)生變化，顯著地改變包層模的波長。在PCF空氣腔(5)的作用下，一部分包層模重新耦合進(jìn)入單模光纖(4)的纖芯，返回到光纖環(huán)行器(3)的b端口，沿光纖環(huán)行器(3)的c端口進(jìn)入第一光譜儀(8)，將相對濕度信息記錄在輸出光譜中。