[发明专利]等离子体共振光纤热线风速计、检测系统及方法

权利要求书

1.一种等离子体共振光纤热线风速检测系统，包括光源、光纤耦合器、起偏器和偏振控制器，其特征在于，还包括等离子体共振光纤热线风速计、风筒和探测仪器，所述光源、光纤耦合器、起偏器、偏振控制器、风速计和探测仪器依次连接；所述光源包括泵浦光源和宽带光源；所述风速计包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米量级的金属膜，所述金属膜外表面涂覆有几百纳米厚的光热材料；

泵浦光源和宽带光源的输出光经过光纤耦合器耦合在一起入射，入射光依次经过起偏器、偏振控制器输入至等离子体共振光纤热线风速计，部分光耦合到光纤表面被光热材料吸收，产生热效应从而使风速计处于高温状态，部分光激发金属膜表面等离子体共振波，部分光沿倾斜光纤光栅出射方向输出；

在测量风速时，将风速计置于风筒中，使风筒中的风速改变，空气流动会风速计表面的热量，从而产生强烈的等离子体共振波长偏移和强度调制，通过测量风速计处包层模的波长偏移和强度变化，实现风筒中不同风速的高精度测量。

2.根据权利要求1所述的等离子体共振光纤热线风速检测系统，其特征在于，所述风速计依次通过光纤载氢预处理、倾斜光纤光栅写制、光纤表面纳米镀膜、镀膜光纤表面光热材料的附着实现，具体如下：

光纤载氢预处理：将高参锗光敏光纤放入充满氢气的容器中，设置温度和压强，在设定时间后使氢分子扩散到高参锗光敏光纤的纤芯中；

倾斜光纤光栅写制：紫外入射光经过聚焦透镜聚焦到相位掩膜板上，相位掩模板与载氢后的高参锗光敏光纤相平行，紫外入射光通过相位掩模板后照射在高参锗光敏光纤上，然后调节控制相位掩模板和紫外入射光写入角度的角度调节架，形成大于30度的倾斜光纤光栅，并控制写入时间得到高消光比的倾斜光纤光栅，且后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9-1.45RIU；

光纤表面纳米镀膜：利用磁控溅射的方法，在倾斜光纤光栅表面均匀的镀上金属层，在镀膜过程中，高参锗光敏光纤匀速旋转，使金属原子均匀的镀在倾斜光纤光栅表面，并控制膜层厚度；

镀膜光纤表面光热材料的附着：首先通过直接生长的方法在铜片上形成一层光热材料，然后将铜片上的合适大小的光热材料转移到光纤的金属膜表面，利用静电吸附原理吸附在镀膜光纤表面。

3.根据权利要求1-2任一项所述等离子体共振光纤热线风速检测系统，其特征在于，所述倾斜光纤光栅的长度为10-20mm，工作波长为1250-1550nm，倾斜角度为37度。

4.根据权利要求1-2任一项所述的等离子体共振光纤热线风速检测系统，其特征在于，所述金属膜为金膜，该金膜的膜层厚度为30-50nm。

5.根据权利要求1-2任一项所述的等离子体共振光纤热线风速检测系统，其特征在于，所述光热材料为碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜的膜层厚度为200-1000nm。

6.根据权利要求1所述的等离子体共振光纤热线风速检测系统，其特征在于，所述泵浦光源为可调谐激光器，可调谐范围为1260-1360nm，该可调激光器工作波长与倾斜光纤光栅等离子体共振激发波长相匹配。

7.根据权利要求1所述的等离子体共振光纤热线风速检测系统，其特征在于，所述宽带光源的工作波长范围为1250-1600nm。

8.根据权利要求1所述的等离子体共振光纤热线风速检测系统，其特征在于，所述风筒的风速调节范围为0.05m/s-0.65m/s。

9.一种等离子体共振光纤热线风速检测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-8任一项所述的系统实现，包括以下步骤：

泵浦光源输出泵浦光，宽带光源输出观察光栅光谱的参照光，经过光纤耦合器耦合在一起入射，入射光经过起偏器后转变成线偏振光，偏振控制器将线偏振光的偏振方向调节成与倾斜光纤光栅侧向写入方向一致，调制好的线偏振光输入至等离子体共振光纤热线风速计后，部分光耦合到光纤表面被光热材料吸收，产生热效应从而使风速计处于高温状态，部分光激发金属膜表面等离子体共振波，部分光沿倾斜光纤光栅出射方向输出；其中，风速计的输出光通过探测仪器显示；

在测量风速时，将风速计置于风筒中，使风筒中的风速改变，空气流动会风速计表面的热量，从而产生强烈的等离子体共振波长偏移和强度调制，通过测量风速计处包层模的波长偏移和强度变化，实现风筒中不同风速的高精度测量。