[发明专利]光波导环境传感器和制造方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及光波导环境传感器及其制造方法，并且具体地涉及光子带隙光纤形式的传感器，该光子带隙光纤具有把空芯暴露于周围环境中的长形侧开口。

背景技术

空芯光纤形式的环境传感器在现有技术中已知。用于这种传感器的光纤的空芯通常以光子带隙结构(PBG)围绕空芯的方式传导光，所述光子带隙结构具有对应于通过光纤传输的光的波长的“禁止频率范围”，虽然经全部内反射(TIR)传导特定波长范围光的空芯光纤也是已知的。这种传感器可用来感测周围环境中存在的特定气体或液体，例如，可指示火灾或其他不安全状况的周围空气中一定阈值量的二氧化碳。在一现有技术设计中，在光纤的一端或两端光纤空芯暴露于周围环境中，使得周围环境中的气体连续流入光纤的空芯。在操作中，具有被特定气体成分吸收的波长的激光通过光纤空芯被连续传导。在该气体从周围环境导入光纤开口端时，它开始流经空芯，经空芯传输的激光振幅因光被气体吸收而减弱。在前面提到的二氧化碳例子中，光振幅减弱到低于某一阈值可用来产生信号，触发火灾警报电路。

该种环境传感器可用来检测大气中种类繁多的各种不同的气体成分、有机颗粒和无机物颗粒或蒸汽液滴，甚至在光纤浸入液体时这种环境传感器可用来检测不同的液体成分。因此该传感器应用范围广泛，不仅可作为燃烧物或污染物或潜在有毒物质的检测器，而且在需要控制特定气体或液体成分的工业制造过程中作为控制或监测传感器。

遗憾的是，该现有技术光纤环境传感器有许多的缺点。正如前面指出的，只是在光纤的一端或两端接触周围环境，而暴露于外面大气中的中空部分直径相对很微小。这种对传感器光纤空芯的有限接触导致该传感器需相对长的响应时间检测到特定“目标”气体或液体。例如，对于具有21厘米长度的已知光纤传感器，从目标气体或液体最初导入光纤空芯的时间到在光纤传感器产生表明存在目标气体或液体的信号，需要2分钟的响应时间。这样长的响应时间限制了该种传感器在许多应用中的使用，如在化学制造应用中，2分钟延迟可能导致对昂贵的组合物生产操作造成无可挽回的破坏。

迄今，未发现缩短该种传感器响应时间的满意方法。当然，光纤传感器的长度可能被缩短，但该缩短不仅降低传感器的灵敏度(灵敏度同空芯体积成正比)而且使它容易产生误报(如在1厘米烟雾检测器周围一根烟卷产生的一缕烟可触发它)。

缩短响应时间的另一个方案可以是增加光纤空气芯的直径。通过使用经掠入射散射导光的具有1.0毫米量级直径的空芯的毛细管而不是使用TIR或PBG可实现该方案。但是，该种毛细管光波导具有高于1分贝/米的光损耗，这对该传感器的长度产生实际限制，并且该种毛细管光波导相对僵硬而不柔软，在需要传感器进行锐弯或紧卷的空间有限的地方难以进行安装。为了降低与毛细管设计相关的损耗，管的中空内部可涂有具有明显不同折射率的材料的交替层由此形成布拉格(Bragg)反射器，或涂有折射率小于空气的单层材料。然而，制造该涂层毛细管比制造拉制光纤要昂贵得多。此外，损耗仍将大于0.5分贝/米，而与僵硬不柔软有关的问题仍然存在。此外，很多光感测操作依赖非线性光效应(例如，拉曼光谱)，其灵敏度与光信号的强度(单位面积上的功率)成正比。较大的光芯将导致芯中的光强度降低，降低的系数与芯直径的平方成正比，由此使设备灵敏度以同样的系数降低。

最后，已有提议在光纤中用激光钻出若干圆形侧孔以更好地将空芯暴露于周围大气中。虽然该方案可能缩短光纤传感器的响应时间，但因为与空芯的接触仍然十分有限这一事实导致响应时间将仍然过长。此外，该现有技术中存在一个问题，这些径向侧面开口产生“光泄漏”，限制了在光纤中能够打出的侧口的数量，以防止产生的损耗过高而不可接受。

显然，需要的是光波导环境传感器，该传感器保持光纤的低损耗，柔软和易于制造的特点，而又大大地缩短与光纤环境传感器相关的响应时间，该光纤环境传感器依赖相对少量的端孔或侧孔使光纤空芯暴露于周围环境中。

发明概述