CN107631998A - 一种便携式用于液体探测的光谱仪和方法 - Google Patents

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Abstract

一种便携式用于液体探测的光谱仪，包括可调谐半导体激光器1、耦合系统2、锥状光纤3、偏振控制器4、液体槽7、液体槽7中盛放待测液体、放置于液体槽7中光纤微球5和探测器6。可调谐半导体激光器1发出的光经耦合系统2耦合到锥状光纤3中，在锥状光纤3中集成偏振控制器4来控制光中锥状光纤3中光的偏振方向，锥状光纤3浸没在液体槽7内的待测液体中，在待测液体中锥状光纤3与垂直放置的光纤微球5相切接触以实现两个光纤中光的耦合，在锥状光纤2的另一端设置探测器5以探测输出的能量，通过扫描可调谐半导体激光器1的波长以测得光谱。

Description

一种便携式用于液体探测的光谱仪和方法
技术领域
本发明属于光谱仪领域，尤其涉及一种光纤光谱仪。
背景技术
1910年，英国人雷利在研究声音沿曲面墙壁传播时发现：声音可以沿着回廊的墙壁环绕形成驻波，从而大大增强了回廊中声波的能量，他把这种现象称为回音壁模式。当然光波也适用于这个理论，当光线耦合进入具有旋转对称结构的光学微腔中后，会以回音壁模式在微腔中传播，此时在微腔中传播的光波能量会逐渐得到叠加，从而得到加强，进而大大延长了光波在腔内的传播时间。而在微腔的外部，光波会在微腔表面形成倏逝波，光能量沿着径向呈指数下降，从围墙泄露到外部的光场的平均能流密度近似为零。因此回音壁模式是光学微谐振腔具有极高的品质因数、极小的模式体积和很低的非线性效应的预置条件。这些特性使得回音壁效应在高灵敏度传感器、非线性光学、腔体量子电动力学、极低阈值激光器等领域都有重要的应用价值。
采用微腔可以获得高的测量灵敏度已多有记载，很多已经达到了单分子量级。为了达到这个灵敏度，微腔必须和光谱仪光学接触，或者光谱仪放置在微腔的倏逝波范围内。这给微腔的应用带来了很多不便。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明旨在提供一种可以远程探测的光谱仪，同时可以有很高的探测灵敏度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种便携式用于液体探测的光谱仪，包括可调谐半导体激光器1、耦合系统2、锥状光纤3、偏振控制器4、液体槽7、液体槽7中盛放待测液体、放置于液体槽7中光纤微球5和探测器6，可调谐半导体激光器1发出的光经耦合系统2耦合到锥状光纤3中，在锥状光纤3中集成偏振控制器4来控制光中锥状光纤3中光的偏振方向，锥状光纤3浸没在液体槽7内的待测液体中，在待测液体中锥状光纤3与垂直放置的光纤微球5相切接触以实现两个光纤中光的耦合，光纤微球5连接在未熔融的光纤上，锥状光纤3和光纤微球5都分别固定在两个三维平移台上，通过调节两个三维平移台来实现锥状光纤3和光纤微球5的相切接触，在锥状光纤2的另一端设置探测器5以探测输出的能量，通过扫描可调谐半导体激光器1的波长以测得光谱。
锥状光纤是采用氢灯将光纤加热到光纤熔点之上并均匀拉伸而获得的。
锥状光纤两端分别固定在两个电动平移台上，氢灯也固定在另一电动平移台上。
氢灯以120mm/min的固定速度往返地沿着去除包层的光纤下方加热光纤，同时固定光纤的两个电动平移台以2mm/min相对低速向两端拉伸光纤。
光纤微球5是通过采用氢灯加热熔融光纤末端形成的。
光纤微球5的直径是80um到1000um。
光纤微球5的直径是500um。
光纤微球的表面粗糙度约为1nm。
一种便携式用于液体探测的方法，上述便携式用于液体探测的光谱仪，通过扫描可调谐半导体激光器的波长，并采用探测器5探测锥状光纤的输出能量来获得相应的光谱。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是便携式用于液体探测的光谱仪的示意图
图2是图1中的液体槽中的局部Ⅰ的照片
图3是采用氢灯制作锥状光纤的示意图
图4是不同浓度的SDA2072的吸收光谱
1.可调谐半导体激光器，2.耦合系统，3.锥状光纤，4.偏振控制器，5.光纤微球，6.探测器，7.液体槽，9.光纤，10.氢灯，11.电动平移台
具体实施方式
参见附图1，一种便携式用于液体探测的光谱仪，包括可调谐半导体激光器1、耦合系统2、锥状光纤3、偏振控制器4、液体槽7、液体槽7中盛放待测液体、放置于液体槽7中光纤微球5和探测器6。可调谐半导体激光器1发出的光经耦合系统2耦合到锥状光纤3中，在锥状光纤3中集成偏振控制器4来控制光在锥状光纤3中的偏振方向，锥状光纤3浸没在液体槽7内的待测液体中，如图1所示，在待测液体中锥状光纤3与垂直放置的光纤微球5相切接触以实现两者之间的光耦合，光纤微球5连接在未熔融的光纤上，锥状光纤3和光纤微球5都分别固定在两个三维平移台上，通过调节两个三维平移台来实现锥状光纤3和光纤微球5的相切接触，在锥状光纤2的另一端设置探测器5以探测输出的能量，通过扫描可调谐半导体激光器1的波长以测得光谱。采用玻璃制作液体槽。
为了制作具有双锥形的锥状光纤(如图2所示)，将一个20cm长去除包层的光纤两端分别固定在两个电动平移台上，在去除包层的光纤下方有一个氢灯，氢灯也固定在电动平移台上。氢灯以固定的速度(120mm/min)往返地沿着去除包层的光纤下方加热光纤，同时固定光纤的两个电动平移台以相对低速(2mm/min)向两端拉伸光纤。通过调节氢灯的氢气流大小使氢灯的火焰温度达到光纤的熔融温度。
光纤微球是通过氢灯去熔化光纤的一端而制成。采用氢灯有两个原因：一是氢灯可以达到使光纤熔化的温度，二是氢灯的火焰非常干净，没有引入其他成分和杂质。将去除包层的光纤清理干净之后，将光纤的一端水平地插入氢灯的火焰中。在火焰压力推动之下，光纤的末端向上弯曲，这样光纤的末端会进入火焰温度最高的区域并开始熔融。在表面张力的作用下，熔融的光纤末端形成为球状。将光纤以一个方向不断的推入火焰，将有更多的光纤熔融，并使光纤末端的微球不断增大。当光纤微球达到合适的大小时，将它慢慢的移出火焰，并慢慢自然冷却。光球微球固定在原始光纤的末端，这样我们可以容易的控制光纤微球的位置。通过这种方法我们可以制作直径从80um到1000um的光纤微球。用这种方法制作的光纤微球的表面粗糙度约为1nm。
所述便携式用于液体探测的光谱仪工作原理如下：可调谐半导体激光器1发出的光经耦合系统2经耦合进入锥状光纤3，经偏振控制器4后将光调节为TE或TM偏振的光，光在锥状光纤2与垂直放置的光纤微球5接触处进入光纤微球5，光纤微球5形成一个微腔，光纤微球的直径为500um，这样光在光纤微球5传播的距离远大于光纤微球5的周长，并有一部分光以倏逝波的形式传播到光纤微球5之外。当光纤微球5被吸收光的介质包围时，光在光纤微球5中往返一次的吸收损耗可以表示如下：αl＝αil+fαml，
其中，α是吸收系数，αi是光纤微球5的内在吸收系数，αm是包围光纤微球5的介质的吸收系数，f是以倏逝波的形式传播到光纤微球5之外的光在总的光中所占的比例，l是光纤微球5的周长。本实施例中，采用的光纤微球的直径是500um。
光在光纤微球5形成的微腔中传播若干次之后，会在锥状光纤2与垂直放置的光纤微球5接触处重新进入锥状光纤2中，并传输到探测器6处，被探测器6探测，通过扫描可调谐半导体激光器发出的光波长，可以得到相应的光谱。
当增加包围光纤微球5的介质的浓度会使增大，因此，不同的浓度介质将直接反映在光谱上的吸收峰强度的不同。
为了检验便携式用于液体探测的光谱仪探测能力，将不同浓度的SDA2072(HWSands Corp.)溶液放入液体槽，所采用的溶剂是甲醇，甲醇在1550nm处的吸收系数是8.8cm-1。SDA2072在1550nm处有一个宽的吸收峰，从图4中，欠耦合的吸收峰变浅当SDA2072的浓度变大(如图4右边方框所示)，过耦合的吸收峰变强当SDA2072的浓度变大(如图4左边方框所示)。欠耦合的吸收峰定义为当锥状光纤和微腔的距离变大时吸收峰变浅；过耦合的吸收峰定义为当锥状光纤和微腔的距离变大时吸收峰变深。从实验结果，在高浓度情况下，SDA2072的吸收系数αm＝0.004m-1/nm@1550nm。
本实施例，在制作锥状光纤时，通过采用电动平移台来控制氢灯的加热位置以实现均匀加热并用两个电动平移台以合适的速度来拉伸光纤以制造锥度合适的锥状光纤；并采用现有的合适的光纤的末端熔融制作光纤微球并以此为微腔，以上的方法使锥状光纤和光纤微球有完美的对称性，光纤微球的表面粗糙度约为1nm，这样的光纤微球作为微腔有很高的质量因子，可以使有效吸收光程达到几十厘米，在本实施例中，探测灵敏度达到了nM量级；同时采用可调谐半导体激光器作为光源，这样在出光光路上就不需要采用分光光路，极大的提高整个光路的简洁度和可靠度。可以将液体槽做的很小，从而使整个光谱仪是便携式的。由于采用了光纤作为光传输媒介，并且对光纤的长度并没有限制，因此，整个光谱仪可以实现远程的探测双。

Claims (9)

1.一种便携式用于液体探测的光谱仪，包括可调谐半导体激光器1、耦合系统2、锥状光纤3、偏振控制器4、液体槽7、液体槽7中盛放待测液体、放置于液体槽7中光纤微球5和探测器6，可调谐半导体激光器1发出的光经耦合系统2耦合到锥状光纤3中，在锥状光纤3中集成偏振控制器4来控制光中锥状光纤3中光的偏振方向，锥状光纤3浸没在液体槽7内的待测液体中，在待测液体中锥状光纤3与垂直放置的光纤微球5相切接触以实现两个光纤中光的耦合，光纤微球5连接在未熔融的光纤上，锥状光纤3和光纤微球5都分别固定在两个三维平移台上，通过调节两个三维平移台来实现锥状光纤3和光纤微球5的相切接触，在锥状光纤2的另一端设置探测器5以探测输出的能量，通过扫描可调谐半导体激光器1的波长以测得光谱。
2.根据权利要求1所述的便携式用于液体探测的光谱仪，锥状光纤是采用氢灯将光纤加热到光纤熔点之上并均匀拉伸而获得的。
3.根据权利要求2所述的便携式用于液体探测的光谱仪，锥状光纤两端分别固定在两个电动平移台上，氢灯也固定在另一电动平移台上。
4.根据权利要求3所述的便携式用于液体探测的光谱仪，氢灯以120mm/min的固定速度往返地沿着去除包层的光纤下方加热光纤，同时固定光纤的两个电动平移台以2mm/min相对低速向两端拉伸光纤。
5.根据权利要求1所述的便携式用于液体探测的光谱仪，光纤微球5是通过采用氢灯加热熔融光纤末端形成的。
6.根据权利要求1所述的便携式用于液体探测的光谱仪，光纤微球5的直径是80um到1000um。
7.根据权利要求1所述的便携式用于液体探测的光谱仪，光纤微球5的直径是500um。
8.根据权利要求1所述的便携式用于液体探测的光谱仪，光纤微球的表面粗糙度约为1nm。
9.一种便携式用于液体探测的方法，包括采用如权利要求1-9所述的便携式液体探测的光谱仪，通过扫描可调谐半导体激光器的波长，并采用探测器5探测锥状光纤的输出能量来获得相应的光谱。
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