基于空芯光子晶体光纤的快速响应气体传感器

摘要：介绍了一种基于空芯光子晶体光纤的快速响应气体传感器。利用飞秒激光脉冲在空芯光子晶体光纤表面上制造若干微孔通道，使气体能通过多个微孔通道扩散进入气室，极大地缩短了系统的响应时间，并将空芯光子晶体光纤与普通单模光纤进行手动熔接，实现了与传统光学器件的低损耗连接。检测系统中，以乙炔气体作为检测对象，用长度为5cm，表面分布有10个相隔4mm的微气孔的空芯光子晶体光纤作为气室和传输光纤，并对含有浓度信息的光信号进行采集，通过信号处理求得准确的气体浓度。实验结果表明，整个系统的光插入损耗约10dB，灵敏度为dB/ppm，响应时间为15s，系统响应与乙炔气体浓度近似呈线性关系，整个系统能进行实时的气体浓度监测。

关键词：空芯光子晶体光纤；飞秒激光；光纤熔接 ；气体传感

1. 引 言

以光谱吸收原理的气体传感检测系统中，最关键的是气室的有效吸收光程，传统的单光程气室^[1]由于光纤准直器的有限工作距离而受限，极大的限制了系统的测试灵敏度；而通过光学方法增加气室有效光程的方法包括：White池^[2]，Herriot池^[3]等，由于结构复杂，稳定性较差而不利于实际应用。空芯光子晶体光纤（HC-PCF）的纤芯为空气芯的结构，包层为微小气孔。这些气孔点阵构成光子晶体，光波被限制在空气芯形成的缺陷中传输^[4]。它的结构特点使其可作为传输通道和气体检测通道存在于气体传感系统当中，而它的轻便性和易于延长吸收路径等特点又能有效的增加吸收光程而提高气体检测系统的测试灵敏度。国内外也有利用HC-PCF作为气体传感器气室的报道^[5-7]，在延长光程的同时提高测量的灵敏度。但是空芯光子晶体光纤微小的空气芯结构限制气体扩散入气室的时间。采用HC-PCF作为气室的研究当中，利用开口套管作为气体扩散通道的气室结构^[8]，其响应时间为6min，采用外部加压的方法也不能明显提高气体在HC-PCF中空芯的扩散速度，不适合毒气的实时监测。

本文利用HC-PCF特殊的气孔纤芯结构，通过飞秒激光进行微加工打孔，加快环境气体在HC-PCF的内部扩散，缩短系统的响应时间，以达到作为毒气的实时监测的目的。并通过与单模光纤的手动低损耗熔接，使空芯光子晶体光纤能与传统的光学器件相连接。构建了一种基于光子晶体空芯光纤的气体吸收气室的气体检测系统，以乙炔作为实验对象，对HC-PCF气室的扩散速度及整个系统的测试灵敏度进行了实验验证。

2 气室的结构设计

气室的结构如图1所示，采用HC-PCF作为气体吸收气室媒介，其两端和普通的单模光纤进行耦合，固定在一个气密性良好密闭气室当中（模拟检测环境）。而为了使检测气体更容易进入空芯光子晶体的气室当中，我们利用飞秒激光进行微加工，在光纤表面的轴向端每隔40mm打一个半通孔，以增加它的流通通道，进而提高检测系统的响应速度。

本文采用一种简单的空芯光子晶体光纤由武汉长飞光纤公司提供，其光纤空气芯直径为33micro;m，多孔区域的直径为73micro;m，传输损耗约为1dB/m。该光纤的空气孔半径较大，较为适合作为气室进行分析，其切面俯视图如图1所示。

图1气室的结构设计

2.1光纤焊接

要使空芯光子晶体光纤和传统光学系统简单低损耗的驳接，需要将光子晶体光纤与普通单模光纤进行熔接，但是由于光子晶体光纤特有的包层空气孔结构，熔接过程中的热效应会导致其波导结构的破坏，从而带来较大的熔接损耗。笔者采用的两台相同的光纤熔接机进行手动对光，在光纤对准位置采取最佳的熔接参数进行熔接。

图2 光子晶体光纤与单模光纤的熔接过程示意图

（a）光子晶体光纤与单模光纤焊接示意图；（b）将光子晶体光纤接入后的光强测试

选用爱立信FSU975的商用电弧熔接机，由于其对特种光纤接头损耗估计的不准，自行搭建了测试平台。如图2（a）所示，将一根跳线从光源接出，另一根跳线从光功率计（OPM）接出，并设定在1550nm档位处，处理光纤接头后分别放置在两台相同型号的熔接机的一侧，然后将空芯光子晶体光纤的两端分别置于两台焊接机的另一侧。手动模式进行操作，观察光功率计的变化对准光纤位置，在功率计显示最大值时，按照合适的参数进行熔接。初始光强为图2（b）OPM所示值，将HC-PCF焊接后的透射光强为图2（c）所示的OPM所示值。

采用电弧熔接机进行反复多次熔接实验，仔细调整得到较合适的熔接参数（如表1所示），在保证熔接强度的前提下，尽量避免空气孔的过度塌陷。采用表1的参数熔接，HC-PCF和普通单模光纤（SMF）的显微照片如图3所示，可以看出在熔接点出HC-PCF只有少量的塌陷而且强度较好。

图3 HC-PCF与SMF的熔接点显微图像

表1 HC-PCF与SMF熔接的参数

实验结论：图2(b)中OPM显示的值为，图2(c)中的OPM显示的值为，其光纤的熔接损耗^[9]可表示为：

（1）

忽略joint1和joint2的损耗，采用5cm长的空芯光子晶体进行熔接，每个接头（joint3，joint4）的损耗为3.5dB，其中包括传输损耗，模场失配引入的损耗和熔接损耗。

• 1. 飞秒激光微加工

为了加快气室的响应时间，笔者在光纤表面的轴向端向下打孔，以增加微通道加速气体与气室的反应时间。接入的5cm空芯光子晶体光纤，每隔4mm打一个孔，共10个孔。

在实验初期阶段，如图4（a）所示，完全剥离光纤涂覆层，然而光纤的机械强度非常低，为了克服此问题，我们提出了一个半剥离的处理办法，有效的提高了机械强度，如图4（b）所示。

Fig. 4. Fiber pretreatment method .

1. peel off the coating completely; (b) semi-peeling the coating.

图5为飞秒微加工系统的原理图。实验所使用的飞秒加工系统由飞秒激光器、CCD监控系统和三维工作平台组成。飞秒激光器的输出波长为800nm，脉宽为180fs，平均输出功率为1.1W，脉冲频率为1KHz，脉冲能量1.1mJ，激光器输出的光束直径为6mm，三维工作台移动范围为plusmn;100、plusmn;100、plusmn;25mm，移动精度为1.0、1.0、0.5micro;m。在对空芯光子晶体光纤表面打孔时，将与单模光纤熔接好的HC-PCF固定在载玻片上，用三维工作台上的夹具夹紧，光纤一端接光源，另一端接光谱仪。调整工作平台，让激光束经显微镜物镜聚焦在光纤的表面，微调工作台，使激光聚焦点在光纤的纤芯位置。同时选择适当的物镜，光阑，强度以及时间等参数，使打孔得到更好的效果。加工过程中，通过观察光谱仪的谱线变化，可实时监测微加工的过程。

图5 飞秒激光加工系统

经过反复多次的微加工实验，最后确定的参数为：时间2s，强度为18%。打孔后的观察光谱仪上的光强透射谱其损耗为：10个孔3dB，每个孔的损耗约为0.3dB。

1. 实验系统及测试结果

检测系统采用MOI公司的SM-125-500型解调仪，该解调仪的扫描频率为2Hz，适合测量低速变化，所以适用于气体检测。按照图5所示实验平台对所给的气室光谱输出进行观测。

图6 气体测试实验平台

实验：将不同浓度的乙炔气体充入模拟检测环境的气室当中，反应一定时间，记录下各种浓度所得到的吸收曲线。将图整合，得到如图7所示现象。根据HITRAN数据库^[10]里的吸收曲线，在1530.37nm处有一处明显的吸收峰。观察1530nm左右波段，明显的看到在1530.3nm-1530.4nm处，如图7的黑框中有一个明显的吸收变化曲线，选取1530.375nm波长的作为乙炔的吸收峰，如图7随着浓度的降低，其吸收峰也明显减弱。

图7 乙炔气体透射光谱

近红外吸收光谱的强度可以用于表征被测组分的浓度，用于定量的分析，理论依据为Lambert-Beer定律^[11]即：

（2）

其中：K为吸光度；为入射光强度；I为透射光强度；为气体在波长为的吸收系数；c为浓度；L为吸收光程长。

从采集到的光谱曲线中提取出比较理想的气体吸收峰，采取的是自参考式浓度的解调算法，其原理是：从采集到的光谱曲线中提取基线轮廓，再与原始光谱曲线相减获得比较理想的吸光度曲线。按照此方法处理的实验结果如图7所示。

图8 气体的吸收光谱和基线光谱

(a)确定基线轮廓；(b)确定吸收峰大小

图8(a)为确定基线轮廓，通过非吸收峰的平滑肩确定其基线轮廓，以避免光强变化带来的基线变化。 图8(b)显示的是基线与原始光谱曲线进行相减，得到的吸收峰大小、hellip;。

图9是将、hellip;描点并通过线性拟合，得出的系统响应随乙炔体积分数变化的曲线关系。拟合后的权限斜率来近似体现测试系统的灵敏度，但是由图9可以看到，系统测量存在一定的误差，导致误差的原因是由于激光功率的稳定性，和气体流动带来的曲线漂移而产生的。因此采用高稳定的输出光纤激光器是进一步提高精度的有效途径。通过对乙炔体积分数的标定曲线，可以通过吸收峰的大小确定浓度值的大小，做到实时的监测浓度变化。

图9 拟合数据

将不同浓度的乙炔气体分别注入气室，得到在HC-PCF腔的气体的扩散速度测试，得到系统响应时间。图10所示的结果表明，乙炔气体稳定注入HC-PCF气体室。它需要大约15秒，实现了快速响应。

Fig. 10. Diffusion speed of acetylene into HC-PCF gas cell with different volume fractiongs.

从得到的实验结果，可以得到该系统对乙炔气体的检测灵敏度为 dB/ppm。分析实验记录，浓度变化而产生的吸收峰的变化较快实现，其响应时间约为15s。

4 结 论

采用HC-PCF作为吸收气室，相比较传统的光学气室，具有轻便性和易于延长性等特点。通过飞秒激光微加工，在空芯光子晶体表面轴向的若干微型气体通道，有效的提高了气体检测系统的响应时间，其响应时间约为15s。应用两台相同型号的焊接机进行手动焊接，实现了与传统光学器件的低损耗驳接，整个焊接损耗约为7dB。实验采用长度为5cm，表面有10个微型气体通道的HC-CPF作为传感气室，乙炔气体作为实验对象，检测系统对其表现出的灵敏度为 dB/ppm，并且通过数据处理，可以进行实时的浓度监测。整个系统包括打孔的光强损耗，传输损耗，模场失配引入的损耗和熔接损耗在乙炔的吸收峰1530nm附近的整个损耗约为10dB。

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