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等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器、檢測系統(tǒng)及方法與流程

文檔序號:12727654閱讀:來源:國知局

技術(shù)特征:

1.等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器,其特征在于:包括刻有傾斜光纖光柵的光纖,所述光纖包層外表面鍍有納米量級的金屬膜,所述傾斜光纖光柵的角度大于30度,且后向耦合的包層模有效折射率可覆蓋0.9-1.45RIU;所述傳感器依次通過光纖載氫預(yù)處理、傾斜光纖光柵寫制和光纖表面納米鍍膜實現(xiàn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器,其特征在于:所述光纖載氫預(yù)處理、傾斜光纖光柵寫制和光纖表面納米鍍膜的具體實現(xiàn)過程如下:

1)光纖載氫預(yù)處理:將高參鍺光敏光纖放入充滿氫氣的容器中,溫度為50℃,壓強為1500psi,在168小時后可使氫分子擴散到高參鍺光敏光纖的纖芯中;

2)傾斜光纖光柵寫制:紫外入射光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦到相位掩膜板上,相位掩模板與載氫后的高參鍺光敏光纖相平行,紫外入射光通過相位掩模板后照射在高參鍺光敏光纖上,然后調(diào)節(jié)控制相位掩模板和紫外入射光寫入角度的角度調(diào)節(jié)架,形成大于30度的傾斜光纖光柵,并控制寫入時間得到高消光比的傾斜光柵,且后向耦合的包層模有效折射率可覆蓋0.9-1.45RIU;

3)光纖表面納米鍍膜:利用磁控濺射的方法,在傾斜光纖光柵表面均勻的鍍上金屬層,在鍍膜過程中,高參鍺光敏光纖勻速旋轉(zhuǎn),使金屬原子均勻的鍍在傾斜光纖光柵表面,并精確控制膜層厚度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器,其特征在于:所述紫外入射光是由193nm準分子激光器輸出能量為3mJ、頻率為200Hz脈沖紫外激光。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器,其特征在于:所述傾斜光纖光柵的長度為15mm,工作波長為1250-1550nm,傾斜角度為37度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器,其特征在于:所述金屬膜為金膜,該金膜的膜層厚度為50nm。

6.等離子體共振傾斜光纖光柵檢測系統(tǒng),包括光源、起偏器和偏振控制器,其特征在于:還包括權(quán)利要求1-5任一項所述的等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器、光電探測器、示波器和聲場信號源,所述光源、起偏器、偏振控制器、等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器、光電探測器和示波器依次連接;

光源輸出入射光,入射光經(jīng)過起偏器后轉(zhuǎn)變成線偏振光,偏振控制器將線偏振光的偏振方向調(diào)節(jié)成與傾斜光纖光柵側(cè)向?qū)懭敕较蛞恢?,調(diào)制好的線偏振光輸入至等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器后,激發(fā)金屬膜表面等離子體共振波,等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器的輸出光通過光電探測器,將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,最后由示波器分析電信號;

在測量液體時,使液體折射率改變,通過測量等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器處包層模的強度變化,并將相應(yīng)光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,實現(xiàn)液體折射率的高精度測量;

在測量靜態(tài)氣體時,將等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器置于氣體密封腔內(nèi),利用氣泵注入或抽出密封腔內(nèi)待測氣體,使密封腔內(nèi)氣體折射率改變,通過測量等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器處包層模的強度變化,并將相應(yīng)光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑢崿F(xiàn)氣體靜態(tài)折射率的高精度測量;

在測量動態(tài)氣體時,通過聲場信號源發(fā)出不同頻率的彈性聲波,這些聲波信號與傾斜光纖光柵表面的等離子體共振波相互作用,通過測量等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器處包層模的強度變化,并將相應(yīng)光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,實現(xiàn)氣體動態(tài)折射率的高精度測量。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的等離子體共振傾斜光纖光柵檢測系統(tǒng),其特征在于:所述光源為可調(diào)諧激光器,該可調(diào)激光器工作波長與傾斜光纖光柵等離子體共振激發(fā)波長相匹配。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的等離子體共振傾斜光纖光柵檢測系統(tǒng),其特征在于:所述信號發(fā)生器的信號頻率涵蓋kHz至MHz。

9.基于權(quán)利要求6所述系統(tǒng)的等離子體共振傾斜光纖光柵檢測方法,其特征在于:所述方法包括以下步驟:

S1、光源輸出入射光,入射光經(jīng)過起偏器后轉(zhuǎn)變成線偏振光,偏振控制器將線偏振光的偏振方向調(diào)節(jié)成與傾斜光纖光柵側(cè)向?qū)懭敕较蛞恢?,調(diào)制好的線偏振光輸入至等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器后,激發(fā)金屬膜表面等離子體共振波,等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器的輸出光通過光電探測器,將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,最后由示波器分析電信號;

S2、在測量液體時,使液體折射率改變,通過測量等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器處包層模的強度變化,并將相應(yīng)光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,實現(xiàn)液體折射率的高精度測量;

S3、在測量靜態(tài)氣體時,將等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器置于氣體密封腔內(nèi),利用氣泵注入或抽出密封腔內(nèi)待測氣體,使密封腔內(nèi)氣體折射率改變,通過測量等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器處包層模的強度變化,并將相應(yīng)光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,實現(xiàn)氣體靜態(tài)折射率的高精度測量;

S4、在測量動態(tài)氣體時,通過聲場信號源發(fā)出不同頻率的彈性聲波,這些聲波信號與傾斜光纖光柵表面的等離子體共振波相互作用,通過測量等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器處包層模的強度變化,并將相應(yīng)光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,實現(xiàn)氣體動態(tài)折射率的高精度測量;

S5、在整個液體、靜態(tài)氣體和動態(tài)氣體折射率測量過程中,光纖纖芯始終對環(huán)境折射率不敏感,測量過程中可能出現(xiàn)的任何溫度變化或光纖抖動均通過纖芯模進行校準。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的等離子體共振傾斜光纖光柵檢測方法,其特征在于:步驟S3中,氣體動態(tài)折射率的具體計算方法如下:

基于氣體動態(tài)折射率和壓強、溫度的關(guān)系為:

<mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac> <mi>p</mi> <msub> <mi>p</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>T</mi> </mfrac> </mrow>

其中,ns=1.00026825、ps=101325Pa、Ts=288.15K,當外界溫度T一定時,外界壓強變化時會引起氣體動態(tài)折射率的變化,當聲場信號源的彈性波和等離子體共振波相互作用時,引起等離子體共振傾斜光纖光柵傳感器周圍氣壓的變化。

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