一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤氢气传感技术领域，具体涉及一种基于PM-PCF的Michelson干涉 型光纤氢气传感器。
【背景技术】
[0002] 氢气（?)同时具备高能量密度和燃烧产物无毒无害两大突出优势，被公认为 二十一世纪最具发展潜力的二次能源。在室温和标准大气压条件下，氢气的爆炸浓度范围 非常广（4 %~74. 2 %)，点火能量极小（0.02mJ)，强烈的易燃易爆性对氢气检测装置自身的 安全性，可靠性以及对超低浓度氢气的响应能力提出了较高要求。
[0003] 光学氢气传感器，尤其是光纤氢气传感器，利用光作为媒介进行氢气浓度传感，由 于探头不存在电学部件，具有本质防爆，灵敏度高，抗电磁干扰等优势，近年来引起了广泛 的关注和研究。常见的光纤光栅型氢气传感器，需温度补偿措施抑制环境温度波动造成的 中心波长漂移，检测精度不高的同时存在着对温度交叉敏感的问题。
[0004] 保偏光子晶体光纤（PM-PCF)是具有保偏特性的光子晶体光纤，通过纤芯周围周期 性排列的空气孔结合应力棒在光纤内部产生统一的应力双折射，能够长距离地保持偏振光 的偏振态，尤其是良好的温度特性，有利于制作对温度不敏感的光纤器件，能有效简化仪器 结构，提高装置稳定性。
[0005] 一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，在构建的全光纤 Michelson干涉仪中引入经镀膜处理的PM-PCF作为敏感部件，具有结构简单，灵敏度高，对 环境温度变化不敏感等优点。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于PM-PCF的Michelson干涉 型光纤氢气传感器，测量干涉光谱中指定级数的波谷波长漂移量反应氢气浓度，结构易于 实现，灵敏度高，减轻环境温度波动给氢气浓度检测带来的影响。
[0007] 本发明通过以下技术方案实现：一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传 感器，由宽带光源（1)，偏振控制器（2)，传输光纤1 (3)，3dB親合器（4)，传输光纤2 (5)，镀 有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)，传输光纤3 (7)，传输光纤4 (8)，光谱仪（9)，恒温气室（10)组 成，其特征在于：宽带光源（1)和偏振控制器（2)相连，偏振控制器（2)通过传输光纤1 (3) 与3dB親合器（4)入射端相连，3dB親合器（4)的一个出射端通过传输光纤2 (5)与镀有Pd/ Ag薄膜PM-PCF(6)的左端相连，另一个出射端与传输光纤3 (7)相连；3dB耦合器（4)的 透射端通过传输光纤4 (8 )与光谱仪（9 )相连；镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6 )的左端与传输 光纤2 (5)熔接，在PM-PCF外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜；镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6) 和传输光纤3 (7)的右端面分别涂覆A1反射膜，平行置于恒温气室（10)内。
[0008] 所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)长度为5cm~8cm，Pd/Ag合金薄膜的膜厚为 40nm~50nm，Ag质量分数为 20%~25%。
[0009] 所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)选用的保偏光子晶体光纤的优选型号是 LMA-PM-15,工作波长在 1550nm。
[0010] 本发明的工作原理是：宽带光源（1)发射中心波长1550nm的激光，通过偏振控制 器（2)得到一束线偏振光，沿传输光纤1 (3)入射3dB親合器（4)分为两束相同的光分别入 射到传输光纤3 (7)和沿传输光纤2 (5)直接耦合至镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)中，构成 全光纤Michelson干涉仪。PM-PCF在外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜作为敏感区，在Pd/ Ag薄膜吸收氢气发生体积膨胀后，挤压包层中的空气孔导致镀膜区域中传输模式的相位改 变，与分光后的另一束光出现恒定的相位差。两束光经端面高反射率的A1反射膜反射后， 在3dB耦合器（4)的透射端汇合并发生干涉，干涉光谱经传输光纤4 (8)被光谱仪（9)接 收。可知，干涉光谱漂移量与氢气浓度之间存在对应关系，从而实现对氢气浓度的高精度检 测 。
[0011] 干涉光谱中第m级波谷处两束光之间的相位差同时受到PM-PCF参数和包层表面 Pd/Ag镀膜的影响，可以表示为
式中，整数m为干涉级数，为第m级波谷波长，岛分别为PM-PCF的固有双折 射和长度；分别为Pd/Ag合金薄膜引入的附加双折射和镀膜区域长度。
[0012] Pd/Ag合金薄膜中的Pd结合氢分子发生晶格体积膨胀，挤压空气孔发生变形，弓丨 起PM-PCF的附加双折射和镀膜长度变化，两束光之间的相位差#:可表示为
(2) 式中，g为漂移后第m级波谷波长，分别为Pd/Ag合金薄膜引入的 附加双折射变化量和镀膜长度变化量。考虑到1w的量级为50~80mm，.:在:的量级约为 10 5_，相位差炉的改变量主要来自于双折射的变化，镀膜长度变化忽略不计。因此，（2)式 改写为
(3)〇
[0013] 对于光纤Michelson干涉仪，由于传输光两次经过镀膜区域，干涉光的相位差应 是两倍，结合（1)式和（3)式，可得第m级波谷波长漂移量·1为
附加双折射变化量Δδ%对应环境中氢气浓度，决定了第m级波谷波长漂移量， 实现了对氢气浓度的高精度检测。
[0014] 本发明的有益效果是：（1)选用温度特性优良的PM-PCF制作对温度不敏感的光纤 氢气传感器，无需温度补偿环节，有效简化仪器结构，节约制作成本；（2)Ag能有效抑制Pd 结合氢分子发生相变，稳定金属晶格结构，Pd/Ag合金缓解Pd涂层表面起泡、层错现 象，提高敏感膜的机械性能，延长装置使用寿命；（3)该传感器体积小，探头式结构有利于 构建分布式测量，抗电磁干扰，灵敏度优于光纤光栅型氢气传感器。因此，本发明具有结构 简单，灵敏度高，有效抑制环境温度波动干扰检测等优点，为氢气浓度在线监测提供了一种 切实可行的方案。
【附图说明】
[0015] 图1是一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器的系统原理图。
[0016] 图2是一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器中传感头的结构示 意图。
[0017] 图3是一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器中镀膜区域的横截 面示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0019] 图1所示一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源（1)， 偏振控制器（2 )，传输光纤1 (3 )，3dB耦合器（4)，传输光纤2 (5 )，镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF (6)，传输光纤3 (7)，传输光纤4 (8)，光谱仪