一種基于側邊拋磨漸變折射率光纖的氫氣傳感裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于光纖氨氣傳感技術領域，具體設及一種基于側邊拋磨漸變折射率 光纖的氨氣傳感裝置。
【背景技術】
[0002] 氨能是引起發(fā)達國家普遍重視的零污染的新能源。一般條件下，空氣中的氨氣含 量處于4%~74.4%時，極易被引燃和發(fā)生劇烈爆炸。因此，防爆、可靠、高靈敏度的氨敏傳 感器具有重要的研究價值。全光傳感檢測本質防爆，具有較強的抗干擾能力，是氨敏傳感器 的主要研究方向。
[0003] 表面等離子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR)傳感技術是先進的光電傳感 技術，能夠達到ICT6RIU的靈敏度。光纖SPR傳感裝置體積小巧，結構多樣，適合遠程多點測 量，而且SPR信號不易受到機械結構、溫度濕度等外界因素的干擾，研究潛力巨大。但SH?傳 感頭的制作工藝復雜，信號響應強度有限，易受系統(tǒng)自身噪聲的影響。
[0004] 漸變折射率光纖（自聚焦光纖），纖忍折射率滿足拋物線型的梯度分布，纖忍中屯、 的折射率最高，沿徑向遞減，光束在其中傳播能自動聚焦而不發(fā)生色散。與全反射光纖相 比，漸變折射率光纖的光透過率更高，光能損失更小，在抑制光纖中混濁現(xiàn)象和增加傳輸距 離方面有重要應用。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型的目的在于提供一種基于側邊拋磨漸變折射率 光纖的氨氣傳感裝置，包層模在纖忍-氨敏感薄膜交界面發(fā)生表面等離子共振，氨敏感薄膜 吸附氨氣濃度的變化改變其有效折射率，導致包層模反射回纖忍的能量改變，通過歸一化 出射光強的漂移量檢測氨氣的濃度。
[0006] 本實用新型通過W下技術方案實現(xiàn):一種基于側邊拋磨漸變折射率光纖的氨氣傳 感裝置，由半導體激光器(1)，第一GRIN透鏡(2)，第一單模光纖(3)，漸變折射率光纖(4)，氨 敏感薄膜(5)，第二GRIN透鏡(6)，第二單模光纖(7)，光功率計(8)，恒溫氣室(9)組成，半導 體激光器（1)出射端與第一GRIN透鏡（2)緊密相連，半導體激光器（1)發(fā)射的光束經(jīng)第一 GRIN透鏡(2)禪合到第一單模光纖(3)纖忍，第一單模光纖(3)出射端與漸變折射率光纖(4) 入射端直接禪合相連，漸變折射率光纖(4)出射光束經(jīng)第二GRIN透鏡(6)禪合到第二單模光 纖(7)纖忍，第二單模光纖(7)出射端與光功率計(8)相連;漸變折射率光纖(4)經(jīng)過側邊拋 磨后瓣射氨敏感薄膜(5)形成敏感區(qū)，漸變折射率光纖(4)與氨敏感薄膜(5)-起置于恒溫 氣室(9)中。
[0007] 所述的漸變折射率光纖(4)具體為纖忍折射率倒置分布的漸變折射率光纖，纖忍 直徑約為400WI1，入射端面與出射端面均經(jīng)過拋光處理。
[000引所述的漸變折射率光纖（4)采用輪式側拋技術進行側邊拋磨去除部分包層和纖 忍，纖忍拋磨后剩余厚度為200WI1~300WI1，纖忍裸露長度為20mm;采用磁控瓣射法在裸露的 纖忍上瓣射氨敏感薄膜(5)，具體為膜厚40nm~200nm的Au/Pd薄膜或Ag/Pd薄膜。
[0009] 本實用新型的工作原理是:所述的漸變折射率光纖(4)具體為纖忍折射率倒置分 布的漸變折射率光纖，由改進的化學氣相沉積法制成，纖忍中屯、的折射率最低Ucenter = 1.450)，沿徑向遞增(na=l.457)，其纖忍折射率n沿徑向的分布可近似為
[0010]
(1)
[0011] (1)式中，R = r/a是距離光軸的位置與纖忍半徑的比值，代表纖忍內歸一化位置； 系數(shù) mi = 1.45 ,m2 =-5*1〇-6,郵= 0.004 ,IM = 0.005，郵= 0.006，郵= 0.0025，m7 = 669, Da 為包 層折射率，ni為環(huán)境介質折射率。
[0012] 早午沖：純#祈冰的郝變折射率光纖(4)纖忍中傳播滿足微分方程
[001引
（2)
[0014] (2)式中，Z = z/a是傳播距離與纖忍半徑的比值，代表歸一化傳播距離;neff=1.45 為有效折射率。
[0015] 通過Runge-Kutta法求解(2)式可知，在所述的漸變折射率光纖(4)纖忍中主要存 在兩種傳播光線，第一類傳播光線的路徑為雙曲余弦型，傳播過程中不穿過光軸;第二類傳 播光線的路徑為雙曲正弦型，每個傳播周期兩次穿過光軸。兩種光線在纖忍-包層交界面的 入射角均取決于歸一化入射距離H，H = h/a是點光源至入射端面的距離與纖忍半徑的比值， 在上述條件下當H=6.5mm時入射角W的范圍最小，在84.2°~84.5°之間。
[0016] m射朵強巧誦討（3)古訴似計算
[0017]
(3)
[0018] (3)式中，Pin為入射光強，S為光纖橫截面面積，Re、Rm分別為包層和氨敏感薄膜的 光強反射系數(shù)，受到氨敏感薄膜吸附氨氣濃度的影響;化、化、化分別為傳播光線在所述的氨 敏感薄膜(5)之前，所述的氨敏感薄膜(5)區(qū)域內，所述的氨敏感薄膜(5)之后的反射次數(shù)。
[0019] 半導體激光器（1)發(fā)射中屯、波長為670nm的光波，通過第一 GRIN透鏡(2)聚焦后禪 合到第一單模光纖(3)內傳輸，垂直入射漸變折射率光纖(4)的端面。第一單模光纖(3)的纖 忍直徑為化m，數(shù)值孔徑為0.12,相比漸變折射率光纖(4)的纖忍直徑400WH，可認為是點光 源。在漸變折射率光纖(4)中傳播的纖忍模在側邊拋磨區(qū)域的邊界激發(fā)包層模。根據(jù)電磁理 論，包層模入射纖忍-氨敏感薄膜巧）的交界面時，場量滿足電磁場的邊界條件，在氨敏感薄 膜巧）中激發(fā)一定透射深度的倏逝波。包層模的能量通過倏逝波傳遞給表面等離子體，引發(fā) 表面等離子共振，包層模反射光能量急劇減弱。氨敏感薄膜(5)吸附氨氣濃度的變化會改變 其有效折射率（同時改變Rm),導致包層模反射回纖忍的能量改變。漸變折射率光纖(4)出射 光束經(jīng)第二GRIN透鏡(6)聚焦后禪合到第二單模光纖(7)內傳輸至光功率計(8)，實時檢測 出射光強值。當環(huán)境氨氣濃度變化時，對應的出射光強發(fā)生改變，通過歸一化出射光強的漂 移量可W檢測氨氣的濃度。
[0020] 本實用新型的有益效果是:全反射光纖中子午光線的入射角范圍較大，其SPR響應 曲線比較平緩，氨氣檢測靈敏度受到限制。對纖忍折射率倒置分布的漸變折射率光纖而言， 纖忍中只存在兩種類型的傳播光線且入射角均取決于H，子午光線在入射纖忍-包層交界面 時具有相同的入射角，由此能激發(fā)出