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基于空心光子晶体光纤的分布式气体检测研究
摘要：我们用空芯光子晶体光纤表现出分布式气体检测系统（HC-PCF）作为气室。HC-PCF气室有几个由飞秒激光制备的横向微通道。HC-PCF通过热拼接与单模光纤相连接，气体可以扩散在PCF空心微通道中。相比于传统气室，HC-PCF气室有相对简单的构造且相当的稳固。根据实验结果，系统响应时间为15秒可以实现一个 通道距离4mm十通道的5cm的HC-PCF。这将表示可以修建侧孔和连接部分损耗很小的长传感长度光纤气体传感器。因此，有可能实现不影响响应时间的高度敏感的传感系统。利用自参考解调算法和空分复用技术，实现了分布式气体检测系统的快速响应。Copyright copy; 2014 IFSA Publishing, S. L.
关键词：空芯光子晶体光纤（HC-PCF），飞秒激光，分布式检测，气体传感器。
- 引言
气体探测和测量系统在安全领域起着重要的作用[ 1 ]。它在各种环境和工业[ 2 ]，科学和国内应用是非常有帮助的。近年来，基于频谱吸收的光学气体传感技术在气体浓度检测领域得到了广泛的应用，具有选择性好、灵敏度高、响应时间快等优点，已被广泛地应用于气体浓度检测 [3, 4]。在光学气体传感器中，最重要的元素之一是气体室。传统的气体室，如单光路腔使用光纤的光管[ 3，4 ]，白色室[ 6 ]和赫里奥特室[ 7 ]，结构复杂，以及燃烧室结构微小变形将导致光强度损失严重。此外，在工业领域，粉尘、湿度等外部因素会影响气室的稳定性和可靠性。最近，空芯光子晶体光纤（HC-PCF）已经证明它们的气体传感测量的适用性[8-13]。HC-PCF在一个四周是微结构包层空气孔的二氧化硅的周期性排列而成的空心中导光。中空的核心可以充满气体，允许被它传导的光与气体的相互作用。基于气体传感器的HC-PCF关键本身在于紧凑型气室。当充满气体时，传播光和气体之间发生强烈的相互作用。相比于传统的气室，中空光纤吸收腔有着低光传输损耗，与其他系统组件的稳定耦合性，抗电磁干扰，等诸多优点。近来已经有多个方法研究了基于HC-PCF气体室 [9-14]。然而，气体扩散到微米大小的孔的速度导致传感能力上的各种限制。对于实际应用来说，由机械耦合方法[ 10，9 ]，从纤维两端通过附加真空或气体压力使气体进入传感器，所耗时间太长。对小长度的HC-PCF的气体在纤维中扩散，创建若干个入口点的多重耦合是另一种方法[14]。这种技术的优点是，扩散时间得到降低。尽管如此，多个联轴器带来的光强度损耗太大。
在本文中，我们报告一个利用HC-PCF作为气室的分布式气体检测系统。HC-PCF气室有几个由飞秒激光制备的横向微通道。HC-PCF通过热拼接与单模光纤相连接，气体可以扩散在PCF空心微通道中。每通道的衰减约为0.3分贝。根据实验结果，系统响应时间为15秒可以实现一个 通道距离4mm十通道的5cm的HC-PCF。该系统采用自参考解调算法和空分复用技术，并显示了更快的响应时间和分布式测量。
- HC-PCF室的制造
由武汉长飞光纤光缆有限公司提供的一个简单类型的HC-PCF在实验中使用。这个HC-PCF的结构如图1所示，中空芯径为33mu;m，多孔层直径为73mu;m，传输损耗约为1dB/m。
这个HC-PCF的采用了长度是5CM，相互间隔0.4毫米的10条微通道。微通道利用飞秒激光制备。图2显示了飞秒激光微加工系统示意图。飞秒激光的主要参数如下：中心波长780 nm，脉冲宽度180fs，重复率1 kHz，能量1 mJ。PCF的两端分别加上普通单模光纤用熔接机（FSM-100P），拼接损耗是约微1.5分贝/熔接。传输损耗和光谱变化由宽带光源组合OSA来监测。通过光强度的变化可以判断微通道的加工是否成功。值得一提的是，在纤维的制备中，采用了半剥离法（剥离部分涂层），这种只需要对光纤涂层进行处理并保留大部分的涂层的方法可以有效地提高纤维的机械强度。为了保证加工参数的晶体纤维孔径、深度和质量符合我们所需要的要求，经过反复的微加工试验，最好的参数如下：光圈5mm，脉冲时间2s，处理能量160mw- 200mw。光谱仪上的透射谱显示的10通道的损耗是3dB。
- 实验系统及测试结果
特定气体会吸收特定波长的光，但其他气体不能吸收这个波长的光。例如，lambda;= 1530.375 nm[ 15 ]的光（癞子HITRAN数据库）C2H2有很强的吸收，但是其他气体不能。我们使用C2H2（lambda;= 1530.375 nm）测试光纤传感器的功能，以确定传感器的响应时间。由气体分子的吸收原理和Beer-Lambert定律[ 5 ]可知，当输入光经过测试的气体时，光的一部分被测试气体吸收。通过测量光强度的变化，可以估算出气体的浓度。
气体室的结构由图三所示。HC-PCF气室中使用。为了防止微通道被阻塞，金属件的入口固定的空气室有一个特殊的分子筛[ 16 ]可以防止灰尘和水污染物进入。相比于传统的气室，文章中介绍的HC-PCF气室没有光学准直器，从而提高气室的耐冲击性。更甚的是，它既没有接触反射镜也没有其他光学装置，有助于降低光学噪声和处理成本。从而提高了系统的稳定性，降低了系统维护的成本。
3.1气体浓度的实验
实验系统原理图如图3使用一个波长为1530nm至1530.8nm的激光扫描激光，并将其喷射到气体室中。光电探测器接收输出光，然后由计算机处理。不同浓度的乙炔气体（0-5%，递进0.1%）分别被扩散到气体室中。记录下不同气体浓度的吸收曲线。如图4所示。当气体浓度变化时，吸收峰发生变化，气体浓度越高，吸收峰越大。
3.2实验数据的处理
在提取理想气体吸收峰的光谱曲线时，采用了自参考浓度的解调算法。其原理是：从所采集的频谱曲线中提取基线轮廓，然后用原始谱曲线减去基线得到的吸光度曲线。基于线性拟合的吸收光谱，实现了对吸收线精确定位和吸收的精确计算。通过这种方法得到的实验结果示于图5。
使用两个导数极值法搜索处理平滑的光谱曲线的吸收峰的位置，并在气体的吸收峰（lambda;= 1530.375 nm）两边，我们分别挑选出N个数据。图5（a）表示的基线轮廓，由平滑的肩膀上的非吸收峰以避免由光强度变化引起的基线变化的轮廓。图5（b）显示吸收峰P1，P2，Pn从基线减去原始光谱曲线。吸收峰值Pn是在这里的浓度-乙炔气体的吸收强度，然后用线性拟合处理Pn。图6显示了系统响应和线性拟合P1，P2，Pn后乙炔体积分数之间的关系。拟合斜率可以近似地显示出该测量系统的灵敏度。k=0.227,，R=0.999，线性度好，传感器敏感度可以达到2.2710-3 dB/ppm。根据乙炔体积分数的校正曲线，可以确定气体浓度的吸收峰，从而实现对气体浓度的实时监测。
3.3响应时间试验
不同浓度的乙炔气（2% ~ 5%）分别注入气室，系统响应时间的变化，得到测试的气体在HC-PCF腔中的扩散速度。试验环境为开放空间，无金属扣件。图7所示的结果，乙炔均匀散布于HC-PCF气体室。它需要大约15秒，所以是快速响应。
实验结果表明，该系统对乙炔气体的检测灵敏度为2.27times; dB/ppm。对实验记录的分析表明，浓度变化可以迅速产生吸收峰的变化，响应时间约为15秒。
3.4分布式传感系统
在光纤传感上，空分复用（SDM）是指多个纤维共享复用光纤传输。本系统采用SDM实现8测点的测量，并且系统各传感器是独立的。它们共用一个光源，并用光开关控制。开关时间小于1秒。光信号通过光开关进入气室。通过气室的信号将被传递到计算机处理。分布式检测系统结构如图8所示。
系统复用8路校准气体传感器测量乙炔。我们随机选择2个传感器数据进行分析。氮气吹扫气室之后，气体室充满了五组不同浓度的被检测系统测量的气体（1% - 5%），并且用自参考方法处理光信号，结果如表1所示。然后拟合浓度测试曲线，结果如图9所示。R-square为0.999左右，最大测量相对误差小于1.5%，且反应时间小于15秒。结果表明，该检测系统具有良好的稳定性和可重复性。
4.结论
我们已经展示了基于空芯光子晶体光纤（HC-PCF）作为气室的分布式气体检测系统。HC-PCF气室有几个由飞秒激光制备横向微通道。HC-PCF通过热拼接与单模光纤相连接，气体可以扩散在PCF空心微通道中。相比于传统气室，HC-PCF气室有相对简单的构造且相当的稳固。根据实验结果，系统响应时间为15秒可以实现一个 通道距离4mm十通道的5cm的HC-PCF，并且灵敏度为2.27times;dB/ ppm，响应时间为15s。约1530纳米的乙炔气体的吸收峰的总损耗约为10分贝，包括空气孔的光强度损耗，传输损耗，场失配和熔接损耗引起的损耗。采用自我参照的解调算法和SDM技术，实现了快速响应分布式气体检测系统。
本文的研究结果可能有助于基于吸收光谱法的HC-PCF进步。可快速响应、高灵敏度和在一个紧凑的坚固耐用的设备的高选择性的HC-PCF装置可能是改进现有的方案。
全光纤气体共轭干涉滤波器
摘要：本文提出了一种基于气体吸收线结合使用Mach-Zehnder装置的全光纤共轭干涉滤波器。该设备被双纤维臂耦合器耦合，包括气体信息气体单元被添加到干涉仪的一个平衡臂上，它可以通过精确控制目标气体吸收线，实现pi;相移的稳定输出。当采用级联滤波器与宽带光源时，输出光的频谱与目标气体的吸收光谱匹配。通过更换的气体单元中的目标吸收气体而实现共轭干涉滤波器可以检测不同气体的设计。以乙炔气体为例，实验结果表明，该过滤器可以得到的梳状谱对应的乙炔气体的吸收，可用于气体浓度检测。
关键词：气体共轭干涉滤波器 气体传感 光谱吸收
1.简介
光谱吸收法是通过检测样品气体的透射光强变化或反射光强度变化检测气体浓度。在窄带光谱吸收技术中使用了低成本的光源，采用波滤波器可以选择不同的吸收峰，从而实现不同的气体检测，具有非常良好的工业应用前景。为了实现这一目标，研究人员提出各种建议，包括窄带滤波器的基础上的光纤布拉格光栅（FBG）或Fabry-Perot标准；窄带光的形式用相应的采用发光二极管光源的滤波器通过检测气体吸收线检测，但所有这些不具有高的稳定性。如果使用发光二极管光源，则应改变滤波器来调节不同气体的工作波长，不适合同时检测多组分气体。使用各种新型窄带滤波器实现波长选择的方法也被提出。如：梳状滤波器，长周期光纤布拉格光栅，敏感材料。但限于特殊的材料和结构，存在着通用性和稳定性的问题。
本文提出了一种基于气体吸收线结合使用Mach-Zehnder装置的全光纤共轭干涉滤波器。该设备被双纤维臂耦合器耦合，包括气体信息气体单元被添加到干涉仪的一个平衡臂上，它可以通过精确控制目标气体吸收线，实现pi;相移的稳定输出。当采用级联滤波器与宽带光源时，输出光的频谱与目标气体的吸收光谱匹配。当采用级联滤波器与宽带光源时，输出光的频谱与目标气体的吸收光谱匹配。通过更换的气体单元中的目标吸收气体而实现共轭干涉滤波器可以检测不同气体的设计。以乙炔气体为例，实验结果表明，该过滤器可以得到的梳状谱对应的乙炔气体的吸收，可用于气体浓度检测。
- 共轭干扰滤波器原理
这种波滤波器的原理是选择和转换对应波长的气体吸收线，并形成稳定的波长选择滤波器。因此，选择了一种类似于Mach-Zehnder干涉仪的光纤结构工作原理。然后将包括气体信息的光纤耦合单元加入到由光源形成的干涉仪的一个平衡臂上，两个准直器，一个半透明的玻璃空气室，两对附带普通单模光纤准直器的5D调节架，如图1 。调整架的功能是调整两个光纤臂间的几何长度差，使滤波器符合滤波特性且平行光管可调。波滤波器的稳定输出是由于：选择和转换给定的气体的气体吸收线进行高速和稳定传输的过滤器，和包括光纤耦合的气体室器组装到双臂的干涉仪。当宽带光源发送到干涉仪，在出口处可以观察到取决于双臂光路差的完全的干扰。在干涉仪的一个臂中插入一个气体吸收池，根据气体的吸收原理，光源因吸收部分光而衰减。这2种光谱吸收导致不同的干涉光谱。当一臂的气体室充满未知气体时，由于气体的吸收而引起的光强度变化和频率稳定。假设光纤耦合器的耦合比为1:1，通过气室的光照强度和无气室的光强度信号可表示为：
Ag(lambda;) = radic;1/2eta;inI(lambda;) times; [1 minus; alpha;(lambda;)]
Ap(lambda;) = radic;1/2eta;inI(lambda;)
eta;是插入损耗，I（lambda;）是入射光的强度，alpha;（lambda;）是气体吸收系数。根据双光束干涉原理，耦合器2的输出光强为：I
I0(lambda;) = eta;ineta;out{1 minus; 1/2alpha;(lambda;) [1 minus; alpha;(lambda;)]cosDelta;phi;} I(lambda;)
Delta;phi;是两束光的相位差，eta;是由耦合器2引起的光损耗。从上面的公式，明确的是透射光强度I0（lambda;）是由气体吸收系数和相位差决定的。当光程差精确控制时，且Delta;phi;=pi;，透射光强度的波长吸收峰最大，但是一旦波长偏离吸收峰，透射光强会迅速衰减。这意味着耦合器2输出梳形频谱是倒置的光纤气体共轭干涉过滤器形成的气体吸收光谱。
3.滤波器的调试
3.1波滤器的实现
两个高精度的5D调整框架在系统中使用。在调整光管的位置时，轴向位置的调整也可以调整双臂的光路差，调整输出光谱的变化。它可以有效地控制双干涉臂，不仅造成了适当的光路差，而且还调整了干涉相位。我们注意到光纤的光路和气体单元的光路是不同的，所以我们在光纤臂上用空气腔作为光路：L=l1 l2*neff 。其中L1是纤维长度、
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