CN102359955A - 一种基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置，可应用于对单一气体样本或混合气体样本组分的定性分析。在本发明中，通过光纤包层侧面开设气体进口和在悬臂上加入阵列式气体扩散孔结构，使得待测气体可以快速的扩散至所有气孔区域。因此本发明可在具备快速响应特性的同时，提高了激发光的模场与气体的重叠度，进而提高了拉曼信号光的强度。并且通过优化微结构光纤纤芯芯径，悬臂厚度，光纤基底材料，可进一步提高光纤端面接收到的拉曼信号光强度。

Description

一种基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置
技术领域
本发明涉及分析设备领域。具体涉及一种采用了开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置。可应用于对单一气体样本或混合气体样本的定性、定量分析。
背景技术
当使用波长比待测样本粒径小得多的单色光照射气体，液体样本时，部分光会按不同的角度发生散射。散射光中除含有与照射光频率相同的瑞利散射光以外，还含有一系列对称分布于照射光频率两侧的有一定频移的谱线，该现象是拉曼散射现象。由于拉曼谱线的数目与频移直接与待测样本的分子结构、分子振动、转动能级以及浓度有关，因此通过分析拉曼光谱，就可以定性的分析待测样本的组分。
基于拉曼散射效应的气体样本检测方法，具有易于实现、无需前处理、抗干扰等优点。但是微弱的拉曼散射系数是制约其广泛应用的缺陷，为了提高信号强度，需要提高光场与分析物质的重叠度。而采用微结构光纤(MOF)的气体拉曼检测装置更兼具集成化、光场-气体分布场的重叠度高、作用距离长、分布式传感、抗电磁干扰等优点。本发明即是一种采用了微结构光纤的拉曼气体检测装置。
衡量基于微结构光纤的拉曼气体检测装置的性能主要从两方面进行分析：灵敏度和响应时间。目前基于微结构光纤的气体拉曼检测装置主要基于两种结构：光子带隙型微结构光纤(PBG-MOF)【1】和全内反射性微结构光纤(TIR-MOF)【2】。PBG-MOF的优点是光场与气体分布的场重叠度高，高重叠度有助于增强产生的拉曼信号光，但局限于光子带隙的要求，光子带隙型微结构光纤的侧面无法实现开放，气体仅能从光纤端面进入，使得扩散时间过长，无法实现实时检测；TIR-MOF的优点在于通过侧面剖光、等离子束、化学腐蚀等方法可使微结构光纤的侧面开放，实现实时传感。在TIR-MOF光纤类型中，纤芯悬浮光纤(suspended corefiber，简称：SCF)具有非常大的空气孔/基底材料比，而且通过压缩芯径至几百甚至几十纳米，可以使得相当高的激发光能量分布在纤芯周围的气孔区域，提高光场与气体的场重叠度，进而增强拉曼信号光的强度。但在目前的SCF气体传感器中，仅有单一气孔开放，光场仅与该开放的气孔内的气体发生作用，这种情况下，光场与气体分布场重叠度反而不及密闭型的SCF气体传感器，进而影响最终产生的拉曼信号光的强度，未能有效挖掘SCF提高拉曼信号强度的潜力。
在本发明提出的基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置设计中，通过光纤侧面开气体进口和在悬臂上加入阵列式气体扩散孔结构，使得待测气体可以快速的扩散至所有气孔区域，本发明可在具备快速响应特性的同时，提高了激发光的模场与气体的重叠度，进而提高了拉曼信号光的强度。并且通过优化微结构光纤纤芯芯径，悬臂厚度，光纤基底材料，可进一步提高产生的拉曼信号光的强度。
【1】M.P.Buric，K.P.Chen，J.Falk，S.D.Woodruff，“Enhanced spontaneousRaman scattering and gas composition analysis using a photonic bandgap fibre”，Applied Optics，47，4255(2008.)
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发明内容
本发明是一种采用了开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置。其检测原理如图1所示。
待测气体按照图中箭头9所指方向从侧面进入开放式微结构光纤5中，并扩散至开放式微结构光纤5内部的三个气孔中。激光器1发射的激发光按图1中的虚线光路2经半透半反镜3、透镜4进入开放式微结构光纤5。此时，激发光的模场与开放式微结构光纤5内的待测气体相互作用，激励待测气体发出拉曼散射信号光，该信号光按图1中的实线光路6经透镜4，半透半反镜3和透镜7进入拉曼光谱分析仪8中。通过该分析仪对拉曼信号光的光谱与强度的分析，进而测得待测气体的分子种类与浓度。
图2和图3是开放式微结构光纤5的结构示意图与端面图。开放式微结构光纤5由纤芯、空气孔区域、部分开放式包层三部分组成。开放式微结构光纤5中的空气孔区域为3个气孔，分别是气孔10，气孔11和气孔12。气孔10，11，12由悬臂13，悬臂14，与悬臂15支撑并固定。三个悬臂中心交汇处的最大内切圆所在区域定义为纤芯16。气孔10的边缘开有气体进口17，悬臂13与悬臂14上开有阵列式气体扩散孔18，悬臂15上无气体扩散孔。待测气体经气体进口17进入开放式微结构光纤5的气孔10内部，并经由阵列式气体扩散孔18扩散到气孔11和气孔12内。在本发明方案中，纤芯16的半径限制在100nm到600nm之间。此种情况下，激发光的模场能量仅部分束缚在纤芯16内，大部分能量在纤芯16附近区域的气孔区域传输，这部分能量与扩散至气孔10，11，12内的待测气体相互作用，激发待测气体发出拉曼信号光，产生的拉曼信号光能量将在光纤的波导传输机制作用下，传递到开放式微结构光纤5的两端面。在激发光入射方向的后向收集拉曼信号光，具有信噪比高的优点，因此本发明收集后向的拉曼信号光。
本发明的设计方案是让待测气体经气体进口17进入气孔10，克服了气体经已有的封闭式微结构光纤端面进入气孔速度缓慢导致传感器响应速度过慢的问题。在悬臂13与悬臂14上开有阵列式气体扩散孔18，使得进入气孔10的气体能够快速扩散到气孔11和气孔12内，从而提高激发光的模场与气体的重叠度，起到了加强了拉曼信号光的强度。此外通过将纤芯半径缩小至100nm到600nm之间，进一步提高了微结构光纤气孔内激发光的模场与气体的重叠度，进一步增强了拉曼信号光的强度。
通过理论计算，得出拉曼信号光的强度与纤芯半径、悬臂厚度、光纤基底材料有关，选择适当尺寸的纤芯半径、较细的悬臂厚度、高折射率的光纤基底材料有助于提高信号强度。综合考虑上述影响因素，本发明计算了各种情况下拉曼信号光的强度，并绘制了图4，图5。其中图4是采用铋基玻璃材料作为开放式微结构光纤5的基底时，归一化的拉曼散射光信号强度(纵坐标)与纤芯直径(横坐标，单位：微米)的关系图，不同的曲线对应了不同的悬臂厚度。图5是采用二氧化硅材料作为开放式微结构光纤5的基底时，归一化的拉曼散射光信号强度(纵坐标)与纤芯直径(横坐标，单位：微米)的关系图，不同的曲线对应了不同的悬臂厚度。通过图4，图5可以看出，当采用二氧化硅作为开放式微结构光纤5的基底时，纤芯16的最佳纤芯直径为150nm左右，而采用铋基玻璃材料作为开放式微结构光纤5的基底时，纤芯16的最佳纤芯直径为100nm附近。且采用铋基玻璃材料作为基底其归一化的拉曼散射光信号的强度大于采用铋基玻璃作为开放式微结构光纤5的基底时的情况。另外，悬臂13，14，15的厚度越薄，拉曼信号光的强度越强。
图6是待测气体在开放式微结构光纤5的气孔区域的扩散曲线，其中横坐标为时间(单位：秒)，纵坐标是气体浓度。可以看出，本发明的设计方案中，待测气体扩散进入三个气孔的扩散时间较短，比较快的气体扩散时间使得气体拉曼散射分析设备的响应时间较短，可用于实时在线检测。
附图说明
图1是基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置原理图。
图2是开放式微结构光纤的结构图。
图3是开放式微结构光纤的端面图。
图4是采用Bismuth材料作为光纤基底的归一化拉曼散射光信号的强度曲线图。
图5是采用SiO2材料作为光纤基底的归一化拉曼散射光信号的强度曲线图。
图6是基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置的气体扩散时间曲线图。
具体实施方式
下面结合图1和图2就本发明的具体实施方式予以说明。
激发光的能量经半反半透镜3，透镜4后，入射到开放式微结构光纤5中。待测气体是由气体进口17进入开放式微结构光纤5的气孔10内的，并经阵列式气体扩散孔18扩散到气孔11与气孔12内的。待测气体扩散进入三个气孔的扩散时间小于1分钟，比较快的气体扩散时间使得气体拉曼散射分析设备的响应时间可缩短至1分钟以内。
由于激发光的能量进入光纤5后，一部分能量场在传递过程中束缚在紧贴纤芯16的气孔10，11，12中，这部分能量场将与扩散到气孔10，11，12内的待测气体相互作用，待测气体在激励光的作用下产生拉曼散射信号光。拉曼散射信号光的光谱与强度特征反映了待测气体的气体分子种类及浓度特点，因此通过分析拉曼散射信号光的光谱和强度特征即可得到待测气体的气体分子特性与气体浓度。
气体分子所发射的拉曼信号光是向周围空间均匀发射的，其中一部分拉曼信号光将在光纤波导传输作用下沿光纤5传输至光纤的两个端面。从激发光入射端出射的拉曼信号光将经透镜4、半反半透镜3、透镜7后进入拉曼光谱分析仪8。

Claims (6)

1.一种基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置的开放式微结构光纤设计，该光纤包含：纤芯，由三个悬臂隔开的三个空气孔，以及包层。
2.权利要求1中所述的纤芯的半径范围在50nm和1000nm之间，悬臂厚度在20nm和200nm之间。
3.权利要求1中所述的开放式微结构光纤的基底材料包括铋基玻璃和二氧化硅玻璃。
4.权利要求1中所述的开放式微结构光纤的包层开有气体进口，检测过程光纤外部的待测气体可以通过上述进口扩散进入与气体进口连通的空气孔区域。
5.权利要求1所述的三个悬臂，其中与气体进口相连通的空气孔的两边的两个悬臂表面具有阵列式气体扩散孔，气孔尺寸在100nm-2000nm之间，在先已经扩散进入与气体进口相连通的空气孔区域的气体可以通过上述阵列式气体扩散孔扩散进入其余的两个空气孔区域。
6.一种基于开放式微结构光纤的气体拉曼检测装置的检测方式采用光纤端面前向检测或光纤端面后向检测方式，即待测气体在激励光源的激发作用下产生拉曼信号光，产生的拉曼信号光经上述开放式微结构光纤传输至光纤端面，采用透镜和半反半透镜分离拉曼信号光与激励光，最后通过拉曼光谱仪分析产生的拉曼信号光。
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