CN107271401A - 基于单模‑拉制小芯单模‑单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器 - Google Patents

基于单模‑拉制小芯单模‑单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单模‑拉制小芯单模‑单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，包括：第一单模光纤；表面附着溶胶‑凝胶二氧化硅膜层的拉制小芯单模，其输入端与第一单模光纤的输出端熔接；第二单模光纤，其输入端与拉制小芯单模光纤的输出端熔接。当超辐射发光二极管光源发出的光在第一单模光纤中传输，进入拉制小芯单模光纤中形成干涉，部分波长的光在其中形成波谷，而后进入第二单模光纤中继续传输，当带有溶胶‑凝胶二氧化硅膜层的拉制小芯单模光纤处于被监测环境中导致拉制小芯单模光纤环境折射率变化，从而影响波导干涉条件变化，导致谐振波长的偏移，依据谐振波长的偏移量，获得被监测环境中分子态有机污染物浓度。

Description

基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物 监测传感器
技术领域
本发明属于分子态有机污染物监测传感器，具体涉及一种基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物在线监测传感器。
背景技术
随着现代技术的迅猛发展，对实验和生产的环境要求越来越高。分子态污染物对半导体生产、医疗、航天领域特别是高功率激光装置等具有相当非常大的影响。一方面分子态有机污染物严重影响半导体成品率；另一方面分子态有机污染物在强激光作用下产生聚集，导致光学元件表面损伤阈值的降低，从而影响整个装置的负载能力。因此对光学元件的制造、清洗、安装以及材料进行了严格的规定，以保证激光装置在安装、运行过程中尽可能减少分子态有机污染物。选材、清洗、安装及运行过程中洁净控制是远远不够的，主要由于高功率激光装置为巨大而复杂的真空系统，需要大量的粘合剂、润滑剂、高分子材料、垫圈等等。在低真空情况下，这些材料会产生可挥发的分子态有机污染物，在强光照射下会加剧这些挥发，这些污染物一方面沉积在光学元件表面形成薄膜，影响光束质量，一另方面吸收光能量产生微爆炸，导致光学元件阈值下降。为保证高功率激光系统的持续稳定工作，必须对激光装置中分子态有机污染物进行在线监测。目前有机污染物的测量方法主要有以下几种方式：(1)气相色谱-质谱联用法。该方法需要用准确度极高，但需要先用洁净采气罐对被测量环境进行气体采集，并需要专业人员利用气相色谱-质谱联用仪进行测量，该种方法费时、费力，分析时间较长，同时无法实现在线监测及真空环境监测需求。(2)石英晶体微平衡法。该方法是一种谐振式测量仪器，配合敏感材料可以进行微质量的测量，成本低廉。但由于该方法是体谐振式传感，受限于谐振频率，其精度为纳克量级，同时该方法实现分布式传感较为困难。(3)声表面波法。该方法谐振频率为百MHz量级，可以得到比石英晶体微平衡法更高的精度，该方法的表面积较大(几个平方毫米)且对光刻技术要求高。与其他检测方法相比，该种检测方法具有避免二次污染，可在线监测、灵敏度较高、易于扩展、便于集成且与普通光纤易于连接等优点，特别适合在传感领域应用。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，包括：
第一单模光纤；
拉制小芯单模光纤，其输入端与所述第一单模光纤的输出端熔接；所述拉制小芯单模光纤的表面附着溶胶-凝胶二氧化硅膜层；
第二单模光纤，其输入端与所述拉制小芯单模光纤的输出端熔接。
优选的是，所述第一单模光纤和第二单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm。
优选的是，所述拉制小芯单模光纤所用的小芯光纤型号为SM450，纤芯直径为2～3μm。
优选的是，所述的拉制小芯单模光纤腰区长度为3～10mm，直径为10～20μm。
优选的是，所述敏感膜层材料为溶胶-凝胶二氧化硅膜层。
优选的是，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层的厚度为1～10μm；所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用提拉镀膜法附着在拉制小芯单模光纤的表面。
优选的是，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层为空心球二氧化硅膜层；所述提拉镀膜法的过程为：配制浓度为3～5wt％的空心球二氧化硅胶体，将拉制小芯单模光纤固定在提拉镀膜机的支架上，在提拉速度为300～500mm/min下，对拉制小芯单模光纤的表面进行提拉镀膜。
优选的是，所述空心球二氧化硅胶体的制备方法为：按重量份，取0.1～0.5份聚丙烯酸溶解在5～10份的氨水溶液中，然后加入到150～200份乙醇中，然后在3～5小时内将1～3份正硅酸乙酯加入，继续搅拌3～5小时，静置1～3天，得到空心球二氧化硅胶体。
优选的是，所述第一单模光纤与拉制小芯单模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接；所述第二单模光纤与拉制小芯单模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接。
优选的是，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用静电纺丝法附着在拉制小芯单模光纤的表面；所述静电纺丝的过程为：将浓度为0.5～5wt％的二氧化硅胶体注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的二氧化硅胶体通过不锈钢喷头喷射至旋转的拉制小芯单模光纤接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为40～60℃、高压电源的输出电压为15～25kv、拉制小芯单模光纤与不锈钢喷头之间距离为15～20cm、流速为10～20mL/h、拉制小芯单模光纤接收装置的旋转速度为50～150r/min。
本发明至少包括以下有益效果：本发明的分子态有机污染物在线监测传感器，当超辐射发光二极管光源发出的光在第一单模光纤中传输，进入拉制小芯单模光纤中形成多模干涉，部分波长的光在其中形成波谷，而后进入第二单模光纤中继续传输，当带有溶胶-凝胶二氧化硅膜层的拉制小芯单模光纤处于被监测环境中导致拉制小芯单模光纤环境折射率变化，从而影响波导干涉条件变化，导致谐振波长的偏移，依据谐振波长的偏移量，获得被监测环境中分子态有机污染物浓度。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物在线监测传感器的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了本发明的一种基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，包括：
第一单模光纤1；
拉制小芯单模光纤2，其输入端与所述第一单模光纤1的输出端熔接；所述拉制小芯单模光纤2的表面附着溶胶-凝胶二氧化硅膜层3；
第二单模光纤4，其输入端与所述拉制小芯单模光纤2的输出端熔接；
其中，所述第一单模光纤和第二单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm；所述拉制小芯单模光纤所用的小芯单模光纤型号为SM450，纤芯直径为2～3μm；所述小芯拉制小芯单模光纤的腰区长度为3～10mm，直径为10～20μm；
所述拉制小芯单模光纤的制备是将单模光纤SM450放置在三维平移台，利用氢氧焰将加热到1000℃以上，控制步进电机将单模光纤SM450拉长，加热部分光纤直径减少，形成双锥形结构的单模光纤，制备拉制小芯单模光纤。
在这种技术方案中，将附着有溶胶-凝胶二氧化硅膜层的分子态有机污染物在线监测传感器置于被监测环境中，被监测环境的分子态有机污染物浓度发生变化时，导致拉制小芯单模光纤环境折射率变化，从而影响波导干涉条件变化，导致谐振波长的偏移，依据谐振波长的偏移量，获得被监测环境中分子态有机污染物浓度。
在上述技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层的厚度为1～10μm；所述敏感材料膜层为溶胶-凝胶二氧化硅膜层，采用这种材料层，可使有机污染物在无芯光纤表面产生富集，影响波导结构的折射率。
在上述技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用提拉镀膜法附着在拉制小芯单模光纤的表面，采用这种方式，溶胶-凝胶二氧化硅膜层能够牢固的连接在拉制小芯单模光纤的表面，并且能够提高分子态有机污染物在线监测精度。
在上述技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层为空心球二氧化硅膜层；所述提拉镀膜法的过程为：配制浓度为3wt％的空心球二氧化硅胶体，将拉制小芯单模光纤固定在提拉镀膜机的支架上，在提拉速度为300mm/min下，对拉制小芯单模光纤的表面进行提拉镀膜。
在上述技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层为空心球二氧化硅膜层；所述提拉镀膜法的过程为：配制浓度为4wt％的空心球二氧化硅胶体，将拉制小芯单模光纤固定在提拉镀膜机的支架上，在提拉速度为400mm/min下，对拉制小芯单模光纤的表面进行提拉镀膜。
在另一种技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层为空心球二氧化硅膜层；所述提拉镀膜法的过程为：配制浓度为4wt％的空心球二氧化硅胶体，将拉制小芯单模光纤固定在提拉镀膜机的支架上，在提拉速度为400mm/min下，对拉制小芯单模光纤的表面进行提拉镀膜。
在另一种技术方案中，所述空心球二氧化硅胶体的制备方法为：按重量份，取0.15份聚丙烯酸溶解在7份的氨水溶液中，然后加入到180份乙醇中，然后在5小时内将1份正硅酸乙酯加入，继续搅拌5小时，静置2天，得到空心球二氧化硅胶体。
在上述技术方案中，所述第一单模光纤与拉制小芯单模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接；所述第二单模光纤与拉制小芯单模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接。
在另一种技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用静电纺丝法附着在拉制小芯单模光纤的表面；所述静电纺丝的过程为：将浓度为0.5wt％的二氧化硅胶体注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的二氧化硅胶体通过不锈钢喷头喷射至旋转的拉制小芯单模光纤接收装置上，使拉制小芯单模光纤表面附着二氧化硅纤维膜层；所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为40℃、高压电源的输出电压为15kv、拉制小芯单模光纤与不锈钢喷头之间距离为15cm、流速为10mL/h、拉制小芯单模光纤接收装置的旋转速度为50r/min。
在另一种技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用静电纺丝法附着在拉制小芯单模光纤的表面；所述静电纺丝的过程为：将浓度为5wt％的二氧化硅胶体注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的二氧化硅胶体通过不锈钢喷头喷射至旋转的拉制小芯单模光纤接收装置上，使拉制小芯单模光纤表面附着二氧化硅纤维膜层；所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为60℃、高压电源的输出电压为25kv、拉制小芯单模光纤与不锈钢喷头之间距离为20cm、流速为20mL/h、拉制小芯单模光纤接收装置的旋转速度为150r/min。
在另一种技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用静电纺丝法附着在拉制小芯单模光纤的表面；所述静电纺丝的过程为：将浓度为3wt％的二氧化硅胶体注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的二氧化硅胶体通过不锈钢喷头喷射至旋转的拉制小芯单模光纤接收装置上，使拉制小芯单模光纤表面附着二氧化硅纤维膜层；所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为50℃、高压电源的输出电压为20kv、拉制小芯单模光纤与不锈钢喷头之间距离为18cm、流速为15mL/h、拉制小芯单模光纤接收装置的旋转速度为100r/min。
采用本发明的静电纺丝方法使二氧化硅溶胶以微纳纤维的形式附着在拉制小芯单模光纤表面，二氧化硅纤维膜层的比表面积大，对有机污染物的吸附效果更好，使有机污染物的检测效果更优。
本发明的分子态有机污染物在线监测传感器，当超辐射发光二极管光源发出的光在第一单模光纤中传输，进入拉制小芯单模光纤中形成拉制小芯单模干涉，部分波长的光在其中形成波谷，而后进入第二单模光纤中继续传输，当带有溶胶-凝胶二氧化硅膜层的拉制小芯单模光纤处于被监测环境中，被监测环境的分子态有机污染物浓度发生变化时，导致拉制小芯单模光纤环境折射率变化，从而影响波导干涉条件变化，导致谐振波长的偏移，依据谐振波长的偏移量，获得被监测环境中分子态有机污染物浓度。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物在线监测传感器的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，包括：
第一单模光纤；
拉制小芯单模光纤，其输入端与所述第一单模光纤的输出端熔接；所述拉制小芯单模光纤的表面附着溶胶-凝胶二氧化硅膜层；
第二单模光纤，其输入端与所述拉制小芯单模光纤的输出端熔接。
2.如权利要求1所述的基于单模-拉制小芯单模光纤-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm。
3.如权利要求1所述的基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述拉制小芯单模光纤所用的小芯光纤型号为SM450，纤芯直径为2～3μm。
4.如权利要求1所述的基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述的拉制小芯单模光纤腰区长度为3～10mm，直径为10～20μm。
5.如权利要求1所述的基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述敏感膜层材料为溶胶-凝胶二氧化硅膜层。
6.如权利要求1所述的基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层的厚度为1～10μm；所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用提拉镀膜法附着在拉制小芯单模光纤的表面。
7.如权利要求6所述的基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层为空心球二氧化硅膜层；所述提拉镀膜法的过程为：配制浓度为3～5wt％的空心球二氧化硅胶体，将拉制小芯单模光纤固定在提拉镀膜机的支架上，在提拉速度为300～500mm/min下，对拉制小芯单模光纤的表面进行提拉镀膜。
8.如权利要求1所述的基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述空心球二氧化硅胶体的制备方法为：按重量份，取0.1～0.5份聚丙烯酸溶解在5～10份的氨水溶液中，然后加入到150～200份乙醇中，然后在3～5小时内将1～3份正硅酸乙酯加入，继续搅拌3～5小时，静置1～3天，得到空心球二氧化硅胶体。
9.如权利要求1所述的基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述第一单模光纤与拉制小芯单模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接；所述第二单模光纤与拉制小芯单模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接。
10.如权利要求1所述的基于单模-拉制小芯单模-单模光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用静电纺丝法附着在拉制小芯单模光纤的表面；所述静电纺丝的过程为：将浓度为0.5～5wt％的二氧化硅胶体注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的二氧化硅胶体通过不锈钢喷头喷射至旋转的拉制小芯单模光纤接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为40～60℃、高压电源的输出电压为15～25kv、拉制小芯单模光纤与不锈钢喷头之间距离为15～20cm、流速为10～20mL/h、拉制小芯单模光纤接收装置的旋转速度为50～150r/min。
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