光纖氣體傳感器概述

聶　平

光纖通信在現(xiàn)代信息科學技術中是十分重要的，它的出現(xiàn)與迅速發(fā)展大大地改觀了信息技術的面貌。從光信息傳輸看，幾十年中得到比較充分發(fā)展的光纖是用石英制作的各類石英光纖。高純石英的本征吸收損耗很低，從1966年高錕博士提出可以采用石英光纖作為光通信的[1]傳輸介質以后，經(jīng)十年左右的努力，石英光纖損耗已經(jīng)達到0.2dB/km，接近其理論極限。在光纖損耗不斷降低的同時，光源研究的進展亦十分迅速。1962年，GaAs半導體激光二極管（LD）問世，意味著現(xiàn)代光通信有了小體積的高速光源。后來，GaAsAl-LD又實現(xiàn)了室溫長時間工作。利用四元系合金InGaAsP制造出了1300nm及1550nm的LD光源。由于LD昂貴，適合光纖通信的高亮度LED也研制了出來。這樣，隨著符合光纖傳輸要求，各種波長、高效率、長壽命、高速率半導體光源的研制成功，光纖通信的實用化及大發(fā)展已是水到渠成。

在低損耗光纖問世不久的70年代中期，就出現(xiàn)了光纖傳感器[2,3]。之后光纖傳感器獲得了迅速的發(fā)展，在軍事、科研、工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學等領域都有廣泛的應用。特別是進入信息時代以來，傳感器作為獲取信息的基礎和支柱，也進入迅速發(fā)展的新階段。

進入信息時代以來，光纖傳感器獲得了迅速的發(fā)展 [4-14]。在各個領域中，特別是現(xiàn)代高新工程技術中，需要獲取的信息量（物理量、化學量、生物量等）越來越多，對信息測量準確度的要求越來越高，測量的難度越來越大，從而對傳感技術提出了更高更新的要求。各種新型的氣體傳感器必須對氣體進行實時監(jiān)測，及時掌握事故及污染發(fā)生和發(fā)展實況，并進行有效控制，這對工業(yè)礦業(yè)安全生產(chǎn)以及環(huán)境保護都具有特別重要的意義。

光纖傳感器之所以引起廣泛的關注，是由于它具備其它傳感器無法比擬的優(yōu)點：

1、光纖中光與氣體作用距離長，探測靈敏度高；

2、光纖傳輸損耗小，因此不必考慮測量儀器和被測物體的相對位置，可以與光纖遙測技術相配合實現(xiàn)遠距離測量與控制；

3、光纖體積小、重量輕、易彎曲，可制成尺寸小、外形各異的傳感探頭，應用于狹小和特殊的場合；

4、光纖化學性質穩(wěn)定，且有很好的電絕緣性，可在惡劣或危險的特殊環(huán)境下可靠工作；

5、光纖傳感器易于組成光纖傳感網(wǎng)絡，可實現(xiàn)多功能、智能化的要求，采用多路復用技術，可降低系統(tǒng)成本。

一、光纖傳感器的一般原理和技術

光纖傳感器一般由四大部分組成：光源，光信號傳輸（由光纖完成），傳感頭及信號處理系統(tǒng)，如圖1所示。光波作為載波入射進光纖再傳輸?shù)秸{制區(qū)，被測介質與進入調制區(qū)內的光相互作用，使光的某些特征參量發(fā)生變化，成為被調制的信號光。含有被調制信息的信號光經(jīng)出射光纖傳輸?shù)叫盘柼幚聿糠?，?jīng)解調后就能得到被測物理量的大小和狀態(tài)。由于光波的頻率很高，所以它能傳感和傳輸?shù)男畔⒘繕O大。

光纖氣體傳感器按工作原理分為兩類：傳光型（或非功能型）光纖傳感器和傳感型（或功能型）光纖傳感器。

1. 傳光型光纖傳感器

在傳光型光纖傳感器中，光纖不作為傳感元件，只起傳輸光信號的作用，即光纖中傳輸?shù)墓庑盘柌皇芡獠拷橘|變化的影響，傳感頭為其它的敏感元件。

一般來說，傳光型光纖傳感器主要是利用了已有的其它傳感技術，它的敏感元件采用光纖以外的其它材料，這樣可以充分利用現(xiàn)存的優(yōu)質敏感元件來制造高質量的傳感器。如光纖有源腔氣體傳感器，它將氣體傳感單元（氣體吸收池）置于有源腔中，通過調節(jié)增益，使得腔的總損耗很小。由于光可以在低損耗腔來回傳輸而不衰減或衰減很慢，這樣光可以通過傳感單元很多次，相當于有效作用長度大大增加，氣體吸收的靈敏度也會提高幾個數(shù)量級[4]。又如薄膜透射型傳感器，它將一種對氣體敏感的材料涂于透明膜片表面，當氣體濃度變化時，透射過薄膜的光強亦發(fā)生變化，即透過薄膜的光強受到氣體濃度的調制，從而可以檢測到氣體濃度[5]。但由于敏感元件和傳輸光纖之間需要大量耦合器件，因此這種傳光型光纖傳感器的結構較為復雜。

2.傳感型光纖傳感器

在傳感型光纖傳感器中，光纖既是傳輸光信號的介質，同時又作為功能性的傳感元件。這種傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測物理量對光纖內傳輸?shù)墓膺M行調制，使傳輸光的強度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對被調制過的信號進行解調，從而得出被測量。

大部分傳感型光纖傳感器中的光纖需要經(jīng)過一定的物理或化學處理，在光纖表面或端面涂敷一層特殊材料，這種材料的體積或折射率對一些氣體敏感。如在光纖外涂一層鈀可用來檢測氫氣濃度。當金屬鈀與氫氣接觸時，其晶格會擴張，導致被包的光纖纖芯伸長，從而使光纖的光程增加，用干涉儀即可檢測到這種變化[6]。又如在光纖端面用濺射或蒸鍍等工藝手段涂敷上一層鎳，可測氧氣濃度。當端面涂鎳的光纖置于氧氣中時，純鎳即被氧化，其厚度變薄，光纖端面鎳的厚度變化將引起該端面的菲涅爾散射的變化，用光時域反射計 (OTOR) 檢測出這種背向散射的變化，即可得到氧氣的濃度[7]。這種光纖經(jīng)過處理的傳感型光纖傳感器只能針對某種特定的氣體進行檢測，缺乏普適性。

二、微結構光纖氣體傳感器

微結構光纖氣體傳感器[15,16]的優(yōu)點是易于同普通傳輸光纖相接，并有較長的作用長度。微結構光纖氣體傳感器又可分為光子晶體光纖氣體傳感器和Bragg光纖氣體傳感器。兩者的不同之處在于吸收池所采用的光纖結構不同。示意圖如圖2所示。

大部分光子晶體光纖氣體傳感器采用的是實芯光子晶體光纖，其纖芯是硅材料，包層是空氣微孔。通過測量包層氣孔中的漸逝場同被測氣體相互作用后光強的變化，可以測得被測氣體的種類和濃度[15-18]。2003年，香港理工大學的靳偉博士等人就基于這種原理設計了一種全光纖氣體傳感器，并通過實驗得出了傳感器的響應時間和靈敏度[15]。由于包層中氣孔太小，氣體擴散進入氣孔需要一段時間，因而響應時間較長，約為一分鐘。而且包層中的場較弱，使傳感器的靈敏度受到限制。

三、 Bragg光纖在氣體傳感器方面的應用

Bragg光纖氣體傳感器采用的是空芯Bragg光纖，其纖芯是氣孔，包層是高低折射率相間的介質。同被測氣體相作用的是芯區(qū)中的場，由于其主要集中在芯區(qū)，對氣體吸收較為敏感，所以同漸逝場光纖氣體傳感器相比，靈敏度更高。同時，由于芯區(qū)的氣孔較大，氣體擴散進入氣孔的時間相對較短，縮短了傳感器的響應時間。

采用空芯單模Bragg光纖作為吸收池的新型光纖氣體傳感器[19]，這種單模Bragg光纖傳感器芯區(qū)小，不易泵浦、易形成濃度梯度。

基于上述原因，目前光纖氣體傳感器的研究主要集中在近紅外波段，考察氣體在近紅外區(qū)的泛頻帶或聯(lián)合帶的吸收情況[20]，雖然這些吸收峰比紅外波段的基本吸收峰要弱得多，但目前長距離大容量的通信用石英光纖僅在0.7～1.1的近紅外區(qū)有低損耗、低色散的特性，因而系統(tǒng)的工作波長應選在近紅外區(qū)石英光纖低損耗、低色散波段。盡管這類泛頻諧波譜的吸收遠小于標準特征譜的吸收，但是由于光纖對這些波長的衰減極低，探測系統(tǒng)的靈敏度又相當高，因而也可以得到很好的檢測。◆

參考文獻：

[1] 賈清，李慧生，馬維光，薛文瑞，周國生，“用Bragg光纖測量氣體濃度”，量子光學學報，11（2），pp.84,(2005)