CN110726697A - 基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于锥形细芯光纤的马赫‑曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，包括顺次连接的入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中，干涉臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式；合束器使得从干涉臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中；出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。本发明对干涉臂部分的细芯光纤进行了拉锥处理增加灵敏性，并在处理之后的锥形光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜以提高对氨气的选择性和吸附性能，利用涂覆氧化石墨烯薄膜的细芯光纤与周围环境中的氨气分子相互作用达到优化传感的目的。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器领域，尤其涉及一种基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器。
背景技术
气体传感在化工业、矿产、实验室安全、健康监测等领域，发挥着极其重要的作用。有毒和挥发性的氨气是工业生产或工业废物中非常常见的成分。根据科学研究，一旦发生氨气泄漏，不仅会造成环境污染，还会对人的眼睛，喉咙，皮肤和呼吸系统造成严重的健康风险。人体长期所处环境氨气浓度允许最大值仅为25ppm，而人体对氨气的嗅觉极限为55ppm。因此有必要开发一种灵敏，紧凑，低成本的氨气传感器，特别适用于室温空气环境。
与电化学气体传感器相比，光纤气体传感器具有良好的抗电磁干扰和抗化学腐蚀性，体积小，灵敏度高，在线监测等特点，受到越来越多的关注。光纤马赫-曾德尔干涉仪将从单独光源发射的光束分成两道传输光束后经过不同路径传播，并与环境介质相互影响产生相对相移变化，最后合并两道传输光束形成干涉。特别是基于马赫-曾德尔干涉仪的新型光纤传感器具有许多优点，例如插入损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。诸多气体传感研究证明，涂有各种材料的光纤气体传感器的传感性能远优于未涂层材料。用于传感涂层的材料包括但不限于金属氧化物及其混合物，石墨烯及其衍生物或其他纳米材料。然而，现有诸多光纤气体传感器存在结构复杂、制备困难、造价昂贵、灵敏度低等缺点，亟须进一步改进。
氧化石墨烯(GO)是石墨烯最重要的衍生物之一。作为一种新型的二维纳米材料，具有大表面积体积和石墨烯快速载流子迁移速度等优异性能。不应忽视的是，石墨烯也有其独特的特性，它在基质平面上含有官能团，如羟基和环氧基，并在边缘含有羰基和羧基等官能团。这使得吸附气体分子的位点成为可能，并且更有利于形成氢键以促进气体分子的吸附。与掺杂金属纳米颗粒的石墨烯材料相比，氧化石墨烯易于制备和涂覆。近年来，出现了许多使用氧化石墨烯的光纤气体传感器。
发明内容
本发明旨在提供一个低成本、易制备、灵敏度高的光纤氨气传感器，提供了基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，包括：入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；干涉臂包括第一干涉臂和第二干涉臂；入射光纤的输出端连接分束器输入端，分束器的输出端连接第一干涉臂和第二干涉臂的输入端，第一干涉臂和第二干涉臂的输出端连接合束器的两个输入端，合束器的输出端与出射光纤的输入端连接；
入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中，干涉臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器使得从干涉臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中，出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到光谱仪中。
进一步地，所述入射光纤由单模光纤构成，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。
进一步地，所述的分束器结构与合束器结构相同，均由30-120μm(优选105μm)的多模光纤构成，长度为1-2mm。
进一步地，所述干涉臂由细芯光纤构成，包括第一干涉臂和第二干涉臂；其中，第一干涉臂由细芯光纤的包层组成，第二干涉臂由细芯光纤的纤芯组成；第一干涉臂与第二干涉臂的长度相等。
作为一种优选的技术方案，所述细芯光纤经过拉锥处理形成均匀的锥形区域，并在锥形光纤区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜。
所述出射光纤由单模光纤构成。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明是基于马赫-曾德尔干涉仪，通过调制干涉臂光纤包层、纤芯的光传播状态，引起输出光的相位差变化，通过探测输出干涉光谱中的波长漂移可以反推外部环境氨气浓度。在传感器结构中，分束器将使光束分别进入干涉臂光纤的纤芯和包层。干涉臂经过拉锥处理形成锥形区域，经过该区域的光形成倏逝场与外界环境变化的交互更为敏感。为进一步提高灵敏度，在干涉臂锥形区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯，这将有助于感知外部气体浓度的变化。当氧化石墨烯薄膜表面的官能团吸附氨气分子时，氧化石墨烯薄膜折射率发生改变将影响相邻光纤包层的折射率。光纤折射率的变化将影响传播光束的相位并最终反映干涉谱中的波长漂移响应，可用于检测氨的浓度。本发明所述的基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器结合了马赫-曾德尔干涉仪结构和倏逝场结构的优势，具有低损耗、结构简单、灵敏度高等特点。
附图说明
图1是本发明实施例基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器的传感头结构示意图；
图2是本发明实施例基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器透射谱随氨气浓度改变的变化示意图；
图3是本发明实施例基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器干涉光谱监测波谷的中心波长与氨气浓度变化的关系及其线性拟合示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。
实施例：
基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，如图1所示，包括：入射光纤1、分束器2、干涉臂3、合束器5和出射光纤6；干涉臂3包括第一干涉臂301和第二干涉臂302；入射光纤1的输出端连接分束器2输入端，分束器2的两个输出端分别连接第一干涉臂301和第二干涉臂302的输入端，第一干涉臂301和第二干涉臂302的输出端连接合束器5的两个输入端，合束器5的输出端与出射光纤6的输入端连接；
入射光纤1用于输入光信号，分束器2使得从入射光纤1中进来的光信号经过分束器2耦合到干涉臂3中，干涉臂3用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器5使得从干涉臂3中进来的光信号经过合束器5耦合到出射光纤6中，出射光纤6用于输出光信号，并将光信号传输到光谱仪中。
进一步地，所述入射光纤1由单模光纤构成，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。
本实施例中，分束器2为直径125μm、纤芯直径为105μm的多模光纤，长度为2mm；分束器2与入射光纤1和干涉臂3连接，使得从入射光纤1中进来的光信号经过分束器2耦合到干涉臂3中。
干涉臂3由细芯光纤组成，包括第一干涉臂301和第二干涉臂302；第一干涉臂301与第二干涉臂302分别对应细芯光纤的包层与芯层部分，其输入端与分束器连接，其输出端与合束器连接。其中，细芯光纤经过拉锥处理，形成均匀的锥形区域，并在锥形区域光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜4，用于形成传输波导，以筛选并传输不同的光传输模式。本实施例中，干涉臂3的长度为32mm。
本实施例中，合束器5为直径125μm、纤芯直径为105μm的多模光纤，长度为2mm；合束器5与出射光纤1和干涉臂3连接，使得从干涉臂3中进来的光信号经过合束器5耦合到出射光纤6结构中。
所述出射光纤6由单模光纤构成，用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。
在氨气浓度测量实验中，将所述光纤氨气传感器放入一个密闭的气室内，气室温度保持在室温条件下，光纤氨气传感器输入端连接宽带光源，输出端连接光谱仪。
本实施例的上述光纤氨气传感器中，由两段单模光纤、两段多模光纤、一段细芯光纤交替熔接而成。光信号射入到由细芯光纤充当的干涉臂3部分，一部分耦合到光纤包层第一干涉臂301，另一部分耦合到光纤纤芯第二干涉臂302当中。光纤直径在细芯光纤锥区减小，进入包层的光在光纤表面形成强烈的消逝场，并使外部涂层膜的折射率变化敏感。在传输干涉臂3的长度L之后，由于第一干涉臂301与第二干涉臂302之间的传播常数不同，光波在两波导之间将发生相位延迟。最后，当两部分光经合束器5到达出射光纤6中时，干涉将发生在出射光纤6的纤芯中。光纤氨气传感器输出强度和相位差如下：
Icore和Icladding分别是第一干涉臂301和第二干涉臂302中的光强度，I是输出强度；L是干涉臂3的长度，Δneff是干涉臂3的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；
是相位差，等式中的
等于(2k+1)π，k阶模式干涉输出谱的波谷波长可以表示为:
从等式(3)中可以知道当Δneff变化时，透射谱波谷的波长将发生偏移。
氧化石墨烯是一种理想的气敏材料。图1中光纤表面上的氧化石墨烯与氨气分子接触时，氧化石墨烯表面具有许多极性官能团，例如羟基、羧基和环氧官能团。氧化石墨烯具有p型半导体导电特性，而氨气分子作为极性分子是电子的受主，所以氨气分子在氧化石墨烯表面的吸附会增加氧化石墨烯表面载流子(空穴)的密度。随着氨气浓度的增加，越来越多的氨气分子被吸附于氧化石墨烯膜层的表面，氧化石墨烯载流子密度随之增加。然后，氧化石墨烯的费米能级在狄拉克点上增加，这导致带间跃迁的阻滞和导电率的降低。氧化石墨烯膜的有效折射率对化学势μc的变化敏感。电导率σ和氧化石墨烯的化学势μc之间的关系可以通过以下等式计算：
其中e是电子的电荷，kB是玻尔兹曼常数，T是环境温度，而
是普朗克常数，ω、Γ分别代表传输光圆频率、散射率，为虚单位。大量的电荷转移将不可避免地导致氧化石墨烯的电导率的变化，进而导致氧化石墨烯本身的折射率的变化。紧密附着在光纤表面上的氧化石墨烯和光纤可以看作是混合波导，因此光纤的有效折射率会受到影响。一系列变化最终反映了光纤干涉光谱的可见实时的波长漂移。
本实施例中，光纤氨气传感器测试的氨气浓度变化范围为0-151ppm。为了获得最佳观测结果，选择1587nm附近的波谷作为实验观测点。当没有引入气体时，记录光谱作为初始参考值，此时气室中的氨浓度为0ppm。实验设置了多个浓度梯度，每达到一个浓度稳定后记录光谱，随后逐渐通入更高浓度梯度的气体，分别对应于23ppm，34ppm，61ppm，105ppm，119ppm，138ppm和151ppm。图2显示了不同浓度的氨气在1587nm附近的输出光谱，在0-151ppm的较低气体浓度范围内,传感器的干涉光谱波形稳定并随浓度增加向左移动实现波长漂移，实现氨气浓度检测的功能。
为了获得光纤氨气传感器的敏感度，测量了波长在1567nm处共振谷强度随氨气浓度的变化，如图3所示。其中，离散点表示的是波长的变化，而实线则表示对应的线性拟合，拟合得到的方程为y＝1587.1316-0.00497x。从图3可以看出，共振谷波长随氨气浓度线性变化，波谷中心波长漂移了767.5pm，线性灵敏度为4.97pm/ppm，相应的线性相关性为98.8％。
近些年，有关光纤氨气传感器的研究成果不断出现。2013年，Yao等人报道了基于石墨烯微纳光纤混合波导结构的全光氨气传感器，该传感器对氨气的灵敏度达到6pm/ppm；2015年，Zhang等人提出了涂覆石墨烯的微纳光纤布拉格光栅气体传感器，当光纤直径不高于10μm获得最大灵敏度为6.0pm/ppm；2017年，Fu等人将氧化锌/氧化石墨烯与七芯微光纤相结合，制作了一种灵敏度为31pm/ppm的微光纤氨气传感器；2018年，Zhu等人制备了一种利用ZnO纳米花的光纤氨气传感器，在氨气浓度0-5460μg L-1区间灵敏度为5.75pm/μg·L-1。对比同类传感器，本传感器具有较高的灵敏度，同时具有制备简单、成本低的优点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，其特征在于，包括：入射光纤（1）、分束器（2）、干涉臂（3）、合束器（5）和出射光纤（6）；干涉臂（3）包括第一干涉臂（301）和第二干涉臂（302）；入射光纤（1）的输出端连接分束器（2）输入端，分束器（2）的两个输出端分别连接第一干涉臂（301）和第二干涉臂（302）的输入端，第一干涉臂（301）和第二干涉臂（302）的输出端连接合束器（5）的两个输入端，合束器（5）的输出端与出射光纤（6）的输入端连接；
入射光纤（1）用于输入光信号，分束器（2）使得从入射光纤（1）中进来的光信号经过分束器（2）耦合到干涉臂（3）中，干涉臂（3）用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器（5）使得从干涉臂（3）中进来的光信号经过合束器（5）耦合到出射光纤（6）中，出射光纤（6）用于输出光信号，并将光信号传输到外接的光谱仪中。
2.根据权利要求1所述的基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，其特征在于：所述入射光纤（1）由单模光纤构成，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。
3.根据权利要求1所述的基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，其特征在于：所述的分束器（2）结构与合束器（5）结构相同，均由芯径为30-120μm的多模光纤构成，长度为1-2mm。
4.根据权利要求1所述的基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，其特征在于：所述干涉臂（3）由细芯光纤构成，包括第一干涉臂（301）和第二干涉臂（302）；其中，第一干涉臂（301）由细芯光纤中的包层组成，第二干涉臂（302）由细芯光纤中的纤芯组成；第一干涉臂与第二干涉臂的长度相等。
5.根据权利要求4所述的基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，其特征在于：细芯光纤经过拉锥处理形成均匀的锥形区域，并在锥形光纤区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜（4）。
6.根据权利要求1所述的基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，其特征在于：所述出射光纤（6）由单模光纤构成，输出端连接外接的光谱仪获得含有传感信息的干涉光谱。
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