专利名称：光子晶体光纤流体传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感装置，特别是能够对气体、液体的浓度进行高精度实时测量的光子晶体光纤流体传感装置。
背景技术：
光子晶体光纤是一种微结构光纤，其结构特点是光纤包层沿轴向均匀排列着具有二维周期性结构的空孔阵列。光子晶体光纤包层微孔的大小与波长数量级相同，通过优化设计微孔大小、占空比以及排列方式或者在光纤空气孔中填充特殊介质等方式，能够获得一系列“奇异”的光学特性，可利用这些卓越性能研制新型的光纤传感器。
本发明是一种光子晶体光纤流体传感装置，是基于光子晶体光纤包层的微孔结构，利用表面特殊处理形成的凹陷敏感区，从而进行流体浓度实时感测的光子晶体光纤流体传感装置。在公知的光纤传感装置中，目前尚没有采用光子晶体光纤表面凹陷区进行流体(液体、气体)实时感测浓度的光子晶体光纤流体传感装置的专利报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种流体浓度实时感测的光子晶体光纤流体传感装置，并可应用于液体、气体的浓度的实时监控与测量。其技术方案如下这种光子晶体光纤流体传感装置，它包括光子晶体光纤、光纤接插器、普通光纤、光源、光探测器；其特点在于光子晶体光纤的一端经光纤接插器与普通光纤连接，普通光纤与光源连接；光子晶体光纤的另一端经光纤接插器与普通光纤连接，普通光纤再与光探测器连接。
本发明的传感元件仅为一根三角形结构光子晶体光纤，三角形结构是指光纤横截面上每三个相邻的微空气孔呈正三角形排列的结构。该光纤经腐蚀、抛磨或灼刻等技术使其表面形成凹陷的敏感区，结构简洁，易于与光纤系统集成。
本发明的有益效果是传感元件仅为一根光子晶体光纤，经腐蚀、抛磨或灼刻等技术使其表面形成凹陷的敏感区。凹陷区形状和深度灵活，能够获得多变的浓度传感灵敏度，结构简洁，易于与光纤系统集成。基于光子晶体光纤本身的优点，这种传感装置具有测量精度高、抗电磁干扰、灵活便携、适合在恶劣环境下工作等特点。
图1是三角形结构光子晶体光纤表面凹陷区示意图。
(a)截面图，(b)侧面图。
图2是三角形结构光子晶体光纤表面环轴凹陷区示意图。
(a)截面图，(b)侧面图。
图3是本发明的传感测量结构示意图。
图4是本发明的相对灵敏度与波长关系图。
其中1.表面处理后的光子晶体光纤，2.光纤接插器，3.普通光纤，4.光源，5.光探测器。
具体实施例方式
在图3中的测量装置结构图中，这种光子晶体光纤流体传感装置，它包括光子晶体光纤、光纤接插器、普通光纤、光源、光探测器；其特征点于光子晶体光纤1的一端经光纤接插器2与普通光纤3连接，普通光纤3与光源4连接；光子晶体光纤的另一端经光纤接插器与普通光纤连接，普通光纤再与光探测器5连接。
光子晶体光纤是玻璃或塑料材料的光子晶体光纤，每三个相邻的微空气孔呈正三角形排列；光纤表面敏感区可为沿光纤轴向的部分凹陷区、绕光纤轴的环绕凹陷区。
普通光纤为玻璃光纤或塑料光纤。
光子晶体光纤流体传感装置的工作环境温度是-20℃～+70℃之间的某一恒温。
光源是宽带光源或可调谐光纤激光器。
光探测器是多波长计或光功率计。
光子晶体光纤表面敏感区为沿光纤轴向的凹陷区，凹陷敏感区长度L＝10.0mm，深度h＝30.0μm。根据Beer-Lambert定理，基于光子晶体光纤空气孔中的瞬逝场与气体吸收相互作用规律，光子晶体光纤中气体浓度与光强度衰减关系为I(λ)＝I0(λ)exp[-rαm(λ)lC] (1)其中αm(λ)是气体的吸收系数，l是光子晶体光纤结构光纤的长度，C是气体的浓度，r是相对灵敏度，定义为r＝(nr/ne)f。其中nr和ne分别是气体的折射率和光子晶体光纤中传导模式的有效折射率，而f是空气孔中能量占光子晶体光纤中总能量的百分比。
理论研究与实验结果表明把公式(1)中相应的气体参量用液体参量代换，(1)式亦可作为感测诸多液体的光子晶体光纤流体传感基本关系式。
采用全矢量有限单元法计算了三角形结构的光子晶体光纤气体传感的相对灵敏度。光纤的结构参数是空气孔间距Λ＝3.2μm，空气孔直径为d。我们计算了三种情况下，空气孔大小不同情况下的相对灵敏度与波长的变化关系，结果如图4所示。
根据(1)式，光子晶体光纤流体(气体、液体)传感特性主要由相对灵敏度r来表征，通过合理设计光子晶体光纤的结构，能够得到较高r值的PCF。因此，通过合理的设计PCF结构，能够增大光子晶体光纤光场与流体(气体、液体)的相互作用，提高光子晶体光纤感测流体(气体、液体)的灵敏度。
实测中，该光子晶体光纤流体传感装置的工作环境温度需保持恒定。在T＝-20℃～+70℃范围内，只要该光子晶体光纤流体传感装置保持在此温度区间内的某一恒温，能够对流体(气体、液体)的浓度进行高精度实时监控与测量。
权利要求
1.一种光子晶体光纤流体传感装置，它包括光子晶体光纤、光纤接插器、普通光纤、光源、光探测器；其特征在于光子晶体光纤(1)的一端经光纤接插器(2)与普通光纤(3)连接，普通光纤(3)与光源(4)连接；光子晶体光纤的另一端经光纤接插器与普通光纤连接，普通光纤再与光探测器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤流体传感装置，其特征在于光子晶体光纤是玻璃或塑料材料的光子晶体光纤，光纤横截面上每三个相邻的微空气孔呈正三角形排列；光纤表面敏感区可为沿光纤轴向的部分凹陷区、绕光纤轴的环绕凹陷区。
3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤流体传感装置，其特征在于普通光纤为玻璃光纤或塑料光纤。
4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤流体传感装置，其特征在于光子晶体光纤流体传感装置的工作环境温度是-20℃～+70℃之间的某一恒温。
5.根据权利要求1所述的光子晶体光纤流体传感装置，其特征在于光源是宽带光源或可调谐光纤激光器。
6.根据权利要求1所述的光子晶体光纤流体传感装置，其特征在于光探测器是多波长计或光功率计。
全文摘要
本发明涉及一种光纤传感装置，特别是能够对气体、液体的浓度进行高精度实时监控与测量的光子晶体光纤流体传感装置。该传感装置由光子晶体光纤、光纤接插器、普通光纤、光源、光探测器组成，光子晶体光纤的一端经光纤接插器与普通光纤连接，普通光纤与光源连接；另一端经光纤接插器与普通光纤连接，普通光纤再与光探测器连接。基于光纤包层的微孔结构，利用表面特殊处理形成的凹陷敏感区实现流体浓度实时感测。具有测量精度高、抗电磁干扰、灵活便携、适合在恶劣环境下工作等特点。通过优化设计，改变凹陷区形状和深度，能够获得适宜的传感灵敏度，结构简洁，易与光纤系统集成。
文档编号G01N21/01GK1670507SQ20051001329
公开日2005年9月21日 申请日期2005年4月8日 优先权日2005年4月8日
发明者张伟刚, 开桂云, 金龙, 涂勤昌, 刘艳格, 王志, 袁树忠, 董孝义 申请人:南开大学