專利名稱：光子晶體光纖流體傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖傳感裝置，特別是能夠對氣體、液體的濃度進行高精度實時測量的光子晶體光纖流體傳感裝置。
背景技術：
光子晶體光纖是一種微結構光纖，其結構特點是光纖包層沿軸向均勻排列著具有二維周期性結構的空孔陣列。光子晶體光纖包層微孔的大小與波長數量級相同，通過優化設計微孔大小、占空比以及排列方式或者在光纖空氣孔中填充特殊介質等方式，能夠獲得一系列“奇異”的光學特性，可利用這些卓越性能研制新型的光纖傳感器。
本發明是一種光子晶體光纖流體傳感裝置，是基于光子晶體光纖包層的微孔結構，利用表面特殊處理形成的凹陷敏感區，從而進行流體濃度實時感測的光子晶體光纖流體傳感裝置。在公知的光纖傳感裝置中，目前尚沒有采用光子晶體光纖表面凹陷區進行流體(液體、氣體)實時感測濃度的光子晶體光纖流體傳感裝置的專利報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種流體濃度實時感測的光子晶體光纖流體傳感裝置，并可應用于液體、氣體的濃度的實時監控與測量。其技術方案如下這種光子晶體光纖流體傳感裝置，它包括光子晶體光纖、光纖接插器、普通光纖、光源、光探測器；其特點在于光子晶體光纖的一端經光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖與光源連接；光子晶體光纖的另一端經光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖再與光探測器連接。
本發明的傳感元件僅為一根三角形結構光子晶體光纖，三角形結構是指光纖橫截面上每三個相鄰的微空氣孔呈正三角形排列的結構。該光纖經腐蝕、拋磨或灼刻等技術使其表面形成凹陷的敏感區，結構簡潔，易于與光纖系統集成。
本發明的有益效果是傳感元件僅為一根光子晶體光纖，經腐蝕、拋磨或灼刻等技術使其表面形成凹陷的敏感區。凹陷區形狀和深度靈活，能夠獲得多變的濃度傳感靈敏度，結構簡潔，易于與光纖系統集成。基于光子晶體光纖本身的優點，這種傳感裝置具有測量精度高、抗電磁干擾、靈活便攜、適合在惡劣環境下工作等特點。
圖1是三角形結構光子晶體光纖表面凹陷區示意圖。
(a)截面圖，(b)側面圖。
圖2是三角形結構光子晶體光纖表面環軸凹陷區示意圖。
(a)截面圖，(b)側面圖。
圖3是本發明的傳感測量結構示意圖。
圖4是本發明的相對靈敏度與波長關系圖。
其中1.表面處理后的光子晶體光纖，2.光纖接插器，3.普通光纖，4.光源，5.光探測器。
具體實施例方式
在圖3中的測量裝置結構圖中，這種光子晶體光纖流體傳感裝置，它包括光子晶體光纖、光纖接插器、普通光纖、光源、光探測器；其特征點于光子晶體光纖1的一端經光纖接插器2與普通光纖3連接，普通光纖3與光源4連接；光子晶體光纖的另一端經光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖再與光探測器5連接。
光子晶體光纖是玻璃或塑料材料的光子晶體光纖，每三個相鄰的微空氣孔呈正三角形排列；光纖表面敏感區可為沿光纖軸向的部分凹陷區、繞光纖軸的環繞凹陷區。
普通光纖為玻璃光纖或塑料光纖。
光子晶體光纖流體傳感裝置的工作環境溫度是-20℃～+70℃之間的某一恒溫。
光源是寬帶光源或可調諧光纖激光器。
光探測器是多波長計或光功率計。
光子晶體光纖表面敏感區為沿光纖軸向的凹陷區，凹陷敏感區長度L＝10.0mm，深度h＝30.0μm。根據Beer-Lambert定理，基于光子晶體光纖空氣孔中的瞬逝場與氣體吸收相互作用規律，光子晶體光纖中氣體濃度與光強度衰減關系為I(λ)＝I0(λ)exp[-rαm(λ)lC] (1)其中αm(λ)是氣體的吸收系數，l是光子晶體光纖結構光纖的長度，C是氣體的濃度，r是相對靈敏度，定義為r＝(nr/ne)f。其中nr和ne分別是氣體的折射率和光子晶體光纖中傳導模式的有效折射率，而f是空氣孔中能量占光子晶體光纖中總能量的百分比。
理論研究與實驗結果表明把公式(1)中相應的氣體參量用液體參量代換，(1)式亦可作為感測諸多液體的光子晶體光纖流體傳感基本關系式。
采用全矢量有限單元法計算了三角形結構的光子晶體光纖氣體傳感的相對靈敏度。光纖的結構參數是空氣孔間距Λ＝3.2μm，空氣孔直徑為d。我們計算了三種情況下，空氣孔大小不同情況下的相對靈敏度與波長的變化關系，結果如圖4所示。
根據(1)式，光子晶體光纖流體(氣體、液體)傳感特性主要由相對靈敏度r來表征，通過合理設計光子晶體光纖的結構，能夠得到較高r值的PCF。因此，通過合理的設計PCF結構，能夠增大光子晶體光纖光場與流體(氣體、液體)的相互作用，提高光子晶體光纖感測流體(氣體、液體)的靈敏度。
實測中，該光子晶體光纖流體傳感裝置的工作環境溫度需保持恒定。在T＝-20℃～+70℃范圍內，只要該光子晶體光纖流體傳感裝置保持在此溫度區間內的某一恒溫，能夠對流體(氣體、液體)的濃度進行高精度實時監控與測量。
權利要求
1.一種光子晶體光纖流體傳感裝置，它包括光子晶體光纖、光纖接插器、普通光纖、光源、光探測器；其特征在于光子晶體光纖(1)的一端經光纖接插器(2)與普通光纖(3)連接，普通光纖(3)與光源(4)連接；光子晶體光纖的另一端經光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖再與光探測器(5)連接。
2.根據權利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于光子晶體光纖是玻璃或塑料材料的光子晶體光纖，光纖橫截面上每三個相鄰的微空氣孔呈正三角形排列；光纖表面敏感區可為沿光纖軸向的部分凹陷區、繞光纖軸的環繞凹陷區。
3.根據權利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于普通光纖為玻璃光纖或塑料光纖。
4.根據權利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于光子晶體光纖流體傳感裝置的工作環境溫度是-20℃～+70℃之間的某一恒溫。
5.根據權利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于光源是寬帶光源或可調諧光纖激光器。
6.根據權利要求1所述的光子晶體光纖流體傳感裝置，其特征在于光探測器是多波長計或光功率計。
全文摘要
本發明涉及一種光纖傳感裝置，特別是能夠對氣體、液體的濃度進行高精度實時監控與測量的光子晶體光纖流體傳感裝置。該傳感裝置由光子晶體光纖、光纖接插器、普通光纖、光源、光探測器組成，光子晶體光纖的一端經光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖與光源連接；另一端經光纖接插器與普通光纖連接，普通光纖再與光探測器連接。基于光纖包層的微孔結構，利用表面特殊處理形成的凹陷敏感區實現流體濃度實時感測。具有測量精度高、抗電磁干擾、靈活便攜、適合在惡劣環境下工作等特點。通過優化設計，改變凹陷區形狀和深度，能夠獲得適宜的傳感靈敏度，結構簡潔，易與光纖系統集成。
文檔編號G01N21/01GK1670507SQ20051001329
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月8日 優先權日2005年4月8日
發明者張偉剛, 開桂云, 金龍, 涂勤昌, 劉艷格, 王志, 袁樹忠, 董孝義 申請人:南開大學