CN109668628B - 一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器 - Google Patents
一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于ZnO纳米棒/微纳光纤混合波导的紫外探测器。该紫外探测器包括依次连接的光源、输入单模光纤、ZnO纳米棒/微纳光纤混合波导、输出单模光纤、光谱仪;所述ZnO纳米棒/微纳光纤混合波导是通过熔融拉锥法制备微纳光纤进而在所制备的微纳光纤锥区采用水热法生长氧化锌纳米棒实现;所述ZnO纳米棒/微纳光纤混合波导受紫外光辐照时,氧化锌纳米棒折射率发生改变,进而微纳光纤锥区倏逝场随之改变,从而改变ZnO纳米棒/微纳光纤混合波导输出光强度。本发明还公开了一种基于ZnO纳米棒/微纳光纤混合波导的紫外探测器相应的制作方法。本发明基于倏逝场原理实现全光纤紫外探测,灵敏度高、结构紧凑、简单、抗电磁干扰能力强。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域,更具体地,涉及一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器。
背景技术
德国物理学家Ritte发现紫外区域是200nm-400nm的电磁波段,通常紫外光谱区划分为三个区域:a区(320nm-400nm),大气中对辐射的吸收最小,这种辐射对人体的维生素D是有益的,但是320nm-345nm的紫外辐射会损害眼睛,并产生皮肤的色素沉淀;b区(270nm-320nm,达到X射线光谱低能量的边界)的辐射对人类是最有害的。蛋白质和脱氧核糖核酸(DNA)的吸收位于该光谱区,这个范围的辐射可以产生生物突变和皮肤癌;c区(200nm-270nm)的辐射会被大气中的臭氧完全吸收,可破坏细胞,应用于医学上的杀菌。但是在小于200nm的真空紫外辐射会完全被空气所吸取。国际癌症研究所已将紫外线列为I类致癌物,其对人体的伤害为慢性,容易被忽视,可见对于紫外线探测和辐射量的测量是非常重要的。对UV-a、UV-b和UV-c具备高灵敏度的探测器被称为“可见盲”探测器。不仅如此,紫外检测已广泛的应用于火灾预警、导弹追踪、紫外通信、天文观测、生物研究等领域,因此,钻研紫外检测装置非常重要。
过去的紫外检测是使用光电倍增管制备而成的,这种管易碎、成本高、体积大而且笨重。而新一代宽带隙半导体,如(Al,In)GaN,金刚石和SiC,具有理想的光谱选择性、高响应度、高热稳定性、强大的辐射硬度和高响应速度的优点。与GaN基材料类似,ZnO表现出优异的UV光敏性,这是UV光检测的关键。同时,ZnO更耐辐射损伤并且比GaN便宜得多。因而,纳米ZnO材料具备很大的紫外检测潜力。随着光纤检测技术的不断发展,其由于小尺寸、高灵敏度、抗电磁干扰,重量轻和多阵列功能等特殊的前景,在紫外检测领域受到越来越多的关注,具有广阔的发展前景及研究意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷以及改进需要,本发明的实施实例提供了一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,其目的在于通过纳米ZnO材料与微纳光纤传感相结合,采用光生载流子可改变ZnO折射率的特性,基于倏逝场原理实现全光纤紫外探测,不需要电学设备,避免光电流的测量,解决现有紫外探测器可靠性较低、制备条件苛刻、生产成本高、技术难度大的问题。
为达上述目的,本发明实施实例采用如下技术方案:
提供了一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,其特征在于,该紫外探测器包括依次连接的光源(1)、输入单模光纤(2)、ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)、输出单模光纤(4)、光谱仪(5),其中:
所述光源(1)为ASE宽带光源,中心波长为1550nm,带宽80nm,用于产生光信号;
所述输入单模光纤(2)用于接收光源(1)的光信号,并将其传输给ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3);
所述ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)输入端与输入单模光纤(2)相对准熔接,输出端与输出单模光纤(4)相对准熔接,用于紫外光信号探测;
所述ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)受紫外光辐照时,氧化锌纳米棒涂层折射率发生变化,锥区倏逝场即随之发生变化,从而改变ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)输出光信号的光功率;所述输出单模光纤(4)将ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)输出光信号送入光谱仪(5);
所述光谱仪(5)对输出单模光纤(4)所输出的光信号进行光谱检测,并根据检测结构相应的获得探测数据。
所述ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)为锥形微纳光纤被覆ZnO纳米棒结构,该结构为:由一根单模光纤经熔融拉锥形成锥形微纳光纤(6),锥区被覆ZnO纳米棒结构(7)。
所述一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,基于锥形微纳光纤倏逝场原理实现全光纤紫外光探测。
所述一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,选定1530nm作为传感波长进行信号解调。
所述锥形微纳光纤(6)锥腰直径为被选定为4μm。
所述ZnO纳米棒结构(7)在不同氢氧根浓度环境下进行生长,其溶液浓度分别为0.01M、0.015M、0.02M、0.025M、0.03M,OH-离子为0.015M时,其各项性质良好。
本发明专利提供了一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,该紫外探测器基于倏逝场原理实现全光纤紫外探测,不需要电学设备,避免光电流的测量,改善了现有紫外探测器可靠性较低、制备条件苛刻、生产成本高、技术难度大的问题。
按照本发明的一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器与现有技术相比,主要具备以下的技术优点:
1.纳米ZnO材料与微纳光纤传感相结合,采用光生载流子可改变ZnO折射率的原理,基于薄膜型结构,利用透射谱光强的变化测试紫外强度,此探测器具备制作灵敏度高、结构紧凑的优势;
2.探测器为基于倏逝场原理的全光纤紫外探测,不需要电学设备,避免光电流的测量,其具有光纤传感领域的结构简单、抗电磁干扰能力强的优势;
3.按照本发明所构造的紫外探测器可以仅用制作方法简单的水热法和常规的光纤熔融拉锥方法即可完成整个制作过程,具有生产技术难度低、成本相对低廉的优势。
附图说明
图1为一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器;
图2为ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导结构。
具体实施方式
下面结合说明书附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1,本实施方式所述的一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,它包括光源(1)、输入单模光纤(2)、ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)、输出单模光纤(4)、光谱仪(5),其中,连接顺序依次为:光源(1),输入单模光纤(2),ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3),输出单模光纤(4),光谱仪(5);
如图2,ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)内包含锥形微纳光纤(6)、ZnO纳米棒结构(7),其中,ZnO纳米棒结构(7)均匀涂覆在锥形微纳光纤(6)拉锥区段;光源(1),所述光源(1)采用中心波长为1550nm的ASE宽带光源,其带宽为80nm,用于产生光信号;
输入单模光纤(2),所述输入单模光纤(2)纤芯直径为9μm,包层直径为125μm,其输入端与输出端分别通过熔接的方式连接光源(1)与ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3),用于将光源所产生光信号传输给ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3);
ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3),所述ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)为锥形微纳光纤被覆ZnO纳米棒结构,该结构为:由一根单模光纤经熔融拉锥的方法拉锥形成锥形微纳光纤(6),进而在锥形微纳光纤锥区涂覆ZnO纳米棒结构(7),用于紫外光探测;
输出单模光纤(4),所述输入单模光纤(4)纤芯直径为9μm,包层直径为125μm,其输入端与输出端分别通过熔接的方式连接ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(2)与光谱仪(5),用于将ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)所输出的经紫外辐照影响后的光信号送入光谱仪进行采集;
光谱仪(5),所述光谱仪(5)波长测量范围为600~1700nm,测量精度为±10pm,用于探测数据采集及分析;
锥形微纳光纤(6),所述锥形微纳光纤(6)由一根单模光纤经熔融拉锥的方法形成,目的为实现基于倏逝场原理的光纤传感功能,锥腰直径为选定为4μm;
ZnO纳米棒结构(7),所述ZnO纳米棒结构(7)采用水热法生长于锥形微纳光纤。
所述的基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器工作过程中对波长具有一定选择性,经测量,波长在1530nm时,其灵敏度最高为7.0959μw/mWcm-2,故选择波长1530nm传感数据进行信号解调。
探测原理:
ASE光源输出的宽带光信号经输入光纤进入ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导,当ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导受紫外辐照时,ZnO纳米棒结构折射率发生变化,进而ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导倏逝场发生变化,导致输出光信号的强度随之发生变化,并且输出光信号强度随紫外辐照强度呈线性规律变化,输出光信号通过光谱仪进行信号采集及处理,最终波长在1530nm时,测量灵敏度达到7.0959μw/mWcm-2。
下面将具体描述按照本发明的基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器的制作过程。
首先,制备锥形微纳光纤,将光纤涂覆层去掉约3cm,然后用无尘纸蘸取酒精擦拭光纤,并且将其固定在光纤熔接机上;自定义设置光纤熔接模式,将熔接放电强度改为5%,放电时间达到最大值4000ms;通过在线观测光谱仪透射光谱的变化,确定微纳光纤的参数。
其次,制备ZnO-微纳光纤混合波导,以微纳光纤为衬底生长ZnO纳米棒。
最后,将上述所制备的ZnO-微纳光纤混合波导两端分别与光源、光谱仪通过单模光纤相连,由此完成整个基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器的制备过程。
Claims (5)
1.一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,其特征在于,该紫外探测器包括依次连接的光源(1)、输入单模光纤(2)、ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)、输出单模光纤(4)、光谱仪(5),其中:所述光源(1)为ASE宽带光源,中心波长为1550nm,带宽80nm,用于产生光信号;所述输入单模光纤(2)用于接收光源(1)的光信号,并将其传输给ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3);所述ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)输入端与输入单模光纤(2)相对准熔接,输出端与输出单模光纤(4)相对准熔接,用于紫外光信号探测;所述ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)受紫外光辐照时,锥区倏逝场随辐照强度发生变化,从而改变ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)输出光信号的光功率;所述输出单模光纤(4)将ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)输出光信号送入光谱仪(5);所述光谱仪(5)对输出单模光纤(4)所输出的光信号进行光谱检测,并根据检测结构相应的获得探测数据;
所述ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导(3)为锥形微纳光纤被覆ZnO纳米棒结构,该结构为:由一根单模光纤经熔融拉锥形成锥形微纳光纤(6),锥区被覆ZnO纳米棒结构(7)。
2.根据权利要求1所述一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,其特征在于,基于锥形微纳光纤倏逝场原理实现紫外光探测。
3.根据权利要求1所述一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,其特征在于,选定1530nm作为传感波长进行信号解调。
4.根据权利要求1所述一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,其特征在于,所述锥形微纳光纤(6)锥腰直径为4μm。
5.根据权利要求1所述一种基于ZnO纳米棒-微纳光纤混合波导的紫外探测器,其特征在于,所述ZnO纳米棒结构(7)在不同氢氧根浓度环境下进行生长,其溶液浓度分别为0.01M、0.015M、0.02M、0.025M、0.03M,选定OH-离子浓度为0.015M,此时,其各项性质良好。
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