CN107064098B - 基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，由微型激光器、磷酸氧钛钾晶体、红外滤波片、1/2波片、偏振分光镜、单模滤波器、微纳光纤、水槽、光谱分析仪、透镜和显微物镜组成。通过将一定功率的脉冲激光输入到微纳光纤中，利用拉曼散射的原理，在微纳光纤的纤芯传播斯托克斯模式的光，微纳光纤表面传播的倏逝波与外界的媒介接触，使得光纤纤芯内传播的斯托克斯光波模式产生频移，不同的媒介对纤芯内的斯托克斯光产生不同的影响，光谱的成分也有很多不同之处，利用该特性，可以检测甲苯与乙醇的混合溶液特定光谱，为该溶液的检测提供了一种切实可行的方案。
Description
技术领域
本发明提出了基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
双锥形微纳光纤是光纤结构拉伸到直径只有光波长大小的结构。这种双锥微纳结构光波导通过的时候，会在光纤外面与外界产生感应的倏逝波，倏逝波可以与外界的媒质相互作用。
双锥形微纳光纤浸没在液体中可以产生拉曼非线性的倏逝波，发出的光量子经过拉曼散射，其中的斯托克斯光量子会向着能量更低的光量子转化并在微纳光纤中传播，于是发出的光量子就会因为拉曼散射而消耗并转化为斯托克斯光波导模式，因为微纳光纤的直径非常小，只可以一个模式在纤芯里传播，如果外界环境中的媒介发生变化，则微纳光纤中的斯托克斯的光波导模式会产生变化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，通过将一定功率的脉冲激光输入到微纳光纤中，利用拉曼散射的原理，在微纳光纤的纤芯传播斯托克斯模式的光，微纳光纤表面传播的倏逝波与外界的媒介接触，使得光纤纤芯内传播的斯托克斯光波模式产生频移，不同的媒介对纤芯内的斯托克斯光产生不同的影响，光谱的成分也有很多不同之处，利用该特性，可以检测甲苯-乙醇混合溶液的光谱特性，为物质的检测提供了一种新的方法。
本发明通过以下技术方案实现：基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，其特征在于：由微型激光器(1)、磷酸氧钛钾晶体(2)、红外滤波片(3)、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)、单模滤波器(6)、微纳光纤(7)、水槽(8)、光谱分析仪(9)、透镜(10)和显微物镜(11)组成，微型激光器(1)出光口通过透镜(10)准直后依次经过磷酸氧钛钾晶体(2)二倍频、红外滤波片(3)过滤红外光线、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)，显微物镜(11)收集偏振分光镜(5)的出射光，显微物镜(11)出光口与单模滤波器(6)左端连接，单模滤波器(6)右端与微纳光纤(7)左端连接，微纳光纤(7)浸没到水槽(8)中并且右端与光谱分析仪(9)连接。
所述的微纳光纤(7)型号为28号通讯光纤，通过电脑控制同步电机拉制而成。
所述的单模滤波器(6)是一个拉锥长度超过1厘米直径为40um的双锥形光纤。
所述的单模滤波器(6)与微纳光纤(7)的距离不超过20cm。
所述微纳光纤(7)长度为6cm，直径为700nm。
所述微型激光器(1)泵浦波长为532nm。
本发明的工作原理是：入射光在经过磷酸氧钛钾晶体(2)实现二倍频，经过红外滤波片(3)过滤掉红外波，经过偏振分光镜(5)后，为了让光纤中传播的模式为HE11，于是就加入一个单模滤波器(6)。当调制好的光通过微纳光纤(7)后产生倏逝波与水槽(8)中的液体相互作用后，检测经过微纳光纤出来的斯托克斯光谱，对于输出光的脉冲常数可以表示为：
γ＝gS1PcritL (1)
其中γ≈23，gS1代表拉曼增益，L代表微纳光纤(7)的长度，Pcrit代表从微纳光纤出射的斯托克斯光能量，在本次实验中gS1＝1.04m-1.W-1。
泵浦源产生的频率会产生一级斯托克斯模式光，一级的斯托克斯模式会产生拉曼频移出现二级斯托克斯模式光，以此类推，公式可以表示为：
ωS1＝ωP-VωStokes，ωS2＝ωS1-VωStokes、ωS3＝ωS2-VωStokes，… (2)
其中ωP代表泵浦源角频率，ωS1、ωS2、ωS3分别代表一级、二级、三级斯托克斯模式角频率，代表拉曼频移，在本实验中，泵浦源的波长为1.06um，工作频率500Hz，脉冲最大半宽度为510ps。
考虑前两个斯托克斯模式，可以得出耦合波方程，可以表示为：
其中PP、PS1、PS2分别代表泵浦源、一级斯托克斯光、二级斯托克斯光的瞬时功率，z表示以微纳光纤为z轴上的坐标长度，于是可以根据此公式可以得出在坐标z＝0时，一级斯托克斯光功率，可以表示为：
其中h代表普朗克常量，ΔvFWHM代表拉曼光谱的最大半宽度，PS1代表一级斯托克斯光瞬时功率。二级斯托克斯光是由一级斯托克斯光衍生出来，即二级斯托克斯光瞬时功率可以用上式表示，泵浦源就变成了PS1，当外界介质的折射率变化时，相应的斯托克斯光功率与光谱也会有所改变。
本发明的有益效果是：将微纳光纤对液体传感光谱有着明显的改变。本次实验对乙醇与甲苯的1∶1混合液体进行了实验，得到了一系列光谱，光谱的波峰与波谷之间的能量差达到40dB，变化非常明显，这对乙醇-甲苯混合液的检测提出了新的方法。
附图说明
图1是本发明的基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器特征装置示意图。
图2是本发明的微纳光纤结构示意图。
图3是本发明在测试乙醇时产生的光谱图。
图4是本发明在测试乙醇与甲苯的1∶1混合液时产生的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见附图1，基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，其特征在于：由微型激光器(1)出光口通过透镜(10)准直后依次经过磷酸氧钛钾晶体(2)二倍频、红外滤波片(3)过滤红外光线、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)、显微物镜(11)收集前一级的入射光，显微物镜(11)出光口与单模滤波器(6)左端连接，单模滤波器(6)右端与微纳光纤(7)左端连接，微纳光纤(7)浸没到水槽(8)中并且右端与光谱分析仪(9)连接。微纳光纤(7)由28号通讯单模光纤在电脑的控制下移动光纤位移平台，在一定的速度下拉伸并加热结构的中心部分制作而成，微纳光纤(7)浸没在水槽(8)中。本发明的工作原理是：入射光在经过磷酸氧钛钾晶体(2)实现二倍频，经过红外滤波片(3)过滤掉红外波，经过偏振分光镜(5)后，为了让光纤中传播的模式为HE11，于是就加入一个单模滤波器(6)。调制好的光通过微纳光纤(7)后产生倏逝波与水槽(8)中的液体相互作用，形成不同特性的光波导。
本发明的实验温度为23摄氏度；各部分的光纤熔接，采用的光纤熔接机型号为Fujikura60s，程序设置是光纤熔接机的标准程序；单模滤波器(6)是一个拉锥长度超过1厘米直径为40um的双锥形光纤；单模滤波器(6)与微纳光纤(7)的距离不超过20cm；微纳光纤(7)长度为6cm，直径为700nm；微型激光器(1)泵浦波长为532nm；微纳光纤(7)用28号通讯光纤在高温下，通过电脑操控步进电机拉制而成。图2为拉制光纤的结构图，光纤直径为700nm，光纤两边因为加热拉伸的原因呈现锥形结构。图3为本发明在测试乙醇产生的光谱图，在该图中可以知泵浦光源的波长为532nm，在注入光能量为0.22μJ时，在630nm处产生了比较明显的谱峰，幅值响应达到了30dB。图4为传感器测试乙醇与甲苯的1∶1混合液中的光谱图，乙醇与甲苯相似相溶，溶液混合均匀，将该溶液放入比色皿中并浸没传感部分，检测出来的光谱呈现出特定的吸收峰，响应幅度可达到40dB，为溶液的检测提供了新的方法。
Claims (4)
1.基于拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，其特征在于：由微型激光器(1)、磷酸氧钛钾晶体(2)、红外滤波片(3)、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)、单模滤波器(6)、微纳光纤(7)、水槽(8)、光谱分析仪(9)、透镜(10)和显微物镜(11)组成，微型激光器(1)出光口通过透镜(10)准直后依次经过磷酸氧钛钾晶体(2)二倍频、红外滤波片(3)过滤红外光线、1/2波片(4)、偏振分光镜(5)，显微物镜(11)收集偏振分光镜(5)的出射光，显微物镜(11)出光口与单模滤波器(6)左端连接，单模滤波器(6)右端与微纳光纤(7)左端连接，微纳光纤(7)浸没到水槽(8)中并且右端与光谱分析仪(9)连接，单模滤波器(6)为拉锥长度超过1厘米直径为40um的双锥形光纤，单模滤波器(6)与微纳光纤(7)的距离不超过20cm。
2.根据权利要求1所述的拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，其特征在于：微纳光纤(7)型号为28号通讯单模光纤，通过电脑控制同步电机拉制而成。
3.根据权利要求1所述的拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，其特征在于：微纳光纤(7)长度为6cm，直径为700nm。
4.根据权利要求1所述的拉曼散射倏逝场的甲苯乙醇光纤传感器，其特征在于：微型激光器(1)泵浦波长为532nm。
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Inventor after: Shen Changyu Inventor after: Sun Zhiqiang Inventor before: Sun Zhiqiang Inventor before: Shen Changyu |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |