光纤气体传感器概述

聂　平

光纤通信在现代信息科学技术中是十分重要的，它的出现与迅速发展大大地改观了信息技术的面貌。从光信息传输看，几十年中得到比较充分发展的光纤是用石英制作的各类石英光纤。高纯石英的本征吸收损耗很低，从1966年高锟博士提出可以采用石英光纤作为光通信的[1]传输介质以后，经十年左右的努力，石英光纤损耗已经达到0.2dB/km，接近其理论极限。在光纤损耗不断降低的同时，光源研究的进展亦十分迅速。1962年，GaAs半导体激光二极管（LD）问世，意味着现代光通信有了小体积的高速光源。后来，GaAsAl-LD又实现了室温长时间工作。利用四元系合金InGaAsP制造出了1300nm及1550nm的LD光源。由于LD昂贵，适合光纤通信的高亮度LED也研制了出来。这样，随着符合光纤传输要求，各种波长、高效率、长寿命、高速率半导体光源的研制成功，光纤通信的实用化及大发展已是水到渠成。

在低损耗光纤问世不久的70年代中期，就出现了光纤传感器[2,3]。之后光纤传感器获得了迅速的发展，在军事、科研、工业、商业、医学等领域都有广泛的应用。特别是进入信息时代以来，传感器作为获取信息的基础和支柱，也进入迅速发展的新阶段。

进入信息时代以来，光纤传感器获得了迅速的发展 [4-14]。在各个领域中，特别是现代高新工程技术中，需要获取的信息量（物理量、化学量、生物量等）越来越多，对信息测量准确度的要求越来越高，测量的难度越来越大，从而对传感技术提出了更高更新的要求。各种新型的气体传感器必须对气体进行实时监测，及时掌握事故及污染发生和发展实况，并进行有效控制，这对工业矿业安全生产以及环境保护都具有特别重要的意义。

光纤传感器之所以引起广泛的关注，是由于它具备其它传感器无法比拟的优点：

1、光纤中光与气体作用距离长，探测灵敏度高；

2、光纤传输损耗小，因此不必考虑测量仪器和被测物体的相对位置，可以与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制；

3、光纤体积小、重量轻、易弯曲，可制成尺寸小、外形各异的传感探头，应用于狭小和特殊的场合；

4、光纤化学性质稳定，且有很好的电绝缘性，可在恶劣或危险的特殊环境下可靠工作；

5、光纤传感器易于组成光纤传感网络，可实现多功能、智能化的要求，采用多路复用技术，可降低系统成本。

一、光纤传感器的一般原理和技术

光纤传感器一般由四大部分组成：光源，光信号传输（由光纤完成），传感头及信号处理系统，如图1所示。光波作为载波入射进光纤再传输到调制区，被测介质与进入调制区内的光相互作用，使光的某些特征参量发生变化，成为被调制的信号光。含有被调制信息的信号光经出射光纤传输到信号处理部分，经解调后就能得到被测物理量的大小和状态。由于光波的频率很高，所以它能传感和传输的信息量极大。

光纤气体传感器按工作原理分为两类：传光型（或非功能型）光纤传感器和传感型（或功能型）光纤传感器。

1. 传光型光纤传感器

在传光型光纤传感器中，光纤不作为传感元件，只起传输光信号的作用，即光纤中传输的光信号不受外部介质变化的影响，传感头为其它的敏感元件。

一般来说，传光型光纤传感器主要是利用了已有的其它传感技术，它的敏感元件采用光纤以外的其它材料，这样可以充分利用现存的优质敏感元件来制造高质量的传感器。如光纤有源腔气体传感器，它将气体传感单元（气体吸收池）置于有源腔中，通过调节增益，使得腔的总损耗很小。由于光可以在低损耗腔来回传输而不衰减或衰减很慢，这样光可以通过传感单元很多次，相当于有效作用长度大大增加，气体吸收的灵敏度也会提高几个数量级[4]。又如薄膜透射型传感器，它将一种对气体敏感的材料涂于透明膜片表面，当气体浓度变化时，透射过薄膜的光强亦发生变化，即透过薄膜的光强受到气体浓度的调制，从而可以检测到气体浓度[5]。但由于敏感元件和传输光纤之间需要大量耦合器件，因此这种传光型光纤传感器的结构较为复杂。

2.传感型光纤传感器

在传感型光纤传感器中，光纤既是传输光信号的介质，同时又作为功能性的传感元件。这种传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测物理量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测量。

大部分传感型光纤传感器中的光纤需要经过一定的物理或化学处理，在光纤表面或端面涂敷一层特殊材料，这种材料的体积或折射率对一些气体敏感。如在光纤外涂一层钯可用来检测氢气浓度。当金属钯与氢气接触时，其晶格会扩张，导致被包的光纤纤芯伸长，从而使光纤的光程增加，用干涉仪即可检测到这种变化[6]。又如在光纤端面用溅射或蒸镀等工艺手段涂敷上一层镍，可测氧气浓度。当端面涂镍的光纤置于氧气中时，纯镍即被氧化，其厚度变薄，光纤端面镍的厚度变化将引起该端面的菲涅尔散射的变化，用光时域反射计 (OTOR) 检测出这种背向散射的变化，即可得到氧气的浓度[7]。这种光纤经过处理的传感型光纤传感器只能针对某种特定的气体进行检测，缺乏普适性。

二、微结构光纤气体传感器

微结构光纤气体传感器[15,16]的优点是易于同普通传输光纤相接，并有较长的作用长度。微结构光纤气体传感器又可分为光子晶体光纤气体传感器和Bragg光纤气体传感器。两者的不同之处在于吸收池所采用的光纤结构不同。示意图如图2所示。

大部分光子晶体光纤气体传感器采用的是实芯光子晶体光纤，其纤芯是硅材料，包层是空气微孔。通过测量包层气孔中的渐逝场同被测气体相互作用后光强的变化，可以测得被测气体的种类和浓度[15-18]。2003年，香港理工大学的靳伟博士等人就基于这种原理设计了一种全光纤气体传感器，并通过实验得出了传感器的响应时间和灵敏度[15]。由于包层中气孔太小，气体扩散进入气孔需要一段时间，因而响应时间较长，约为一分钟。而且包层中的场较弱，使传感器的灵敏度受到限制。

三、 Bragg光纤在气体传感器方面的应用

Bragg光纤气体传感器采用的是空芯Bragg光纤，其纤芯是气孔，包层是高低折射率相间的介质。同被测气体相作用的是芯区中的场，由于其主要集中在芯区，对气体吸收较为敏感，所以同渐逝场光纤气体传感器相比，灵敏度更高。同时，由于芯区的气孔较大，气体扩散进入气孔的时间相对较短，缩短了传感器的响应时间。

采用空芯单模Bragg光纤作为吸收池的新型光纤气体传感器[19]，这种单模Bragg光纤传感器芯区小，不易泵浦、易形成浓度梯度。

基于上述原因，目前光纤气体传感器的研究主要集中在近红外波段，考察气体在近红外区的泛频带或联合带的吸收情况[20]，虽然这些吸收峰比红外波段的基本吸收峰要弱得多，但目前长距离大容量的通信用石英光纤仅在0.7～1.1的近红外区有低损耗、低色散的特性，因而系统的工作波长应选在近红外区石英光纤低损耗、低色散波段。尽管这类泛频谐波谱的吸收远小于标准特征谱的吸收，但是由于光纤对这些波长的衰减极低，探测系统的灵敏度又相当高，因而也可以得到很好的检测。◆

参考文献：

[1] 贾清，李慧生，马维光，薛文瑞，周国生，“用Bragg光纤测量气体浓度”，量子光学学报，11（2），pp.84,(2005)