CN111896035B - 基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，该方法的系统包括依次连接的宽带光源、光纤耦合器、微纳光纤耦合器、光谱仪，并给出了其制作方法和探测方法。其中，微纳光纤耦合器内包含一号单模光纤、二号单模光纤、ZnO纳米棒；光纤耦合器和微纳光纤耦合器之间通过光纤熔融的方式连接构成马赫曾德干涉结构，采用水热法制备ZnO纳米棒材料涂覆在微纳光纤耦合器上，基于马赫曾德干涉原理，通过局部放电产生电弧，电弧辐射部分紫外光进行间接测量。本发明是为了解决在紫外探测领域中，现有紫外探测技术抗干扰能力弱、稳定性差、生产成本昂贵、制作复杂的问题，该系统具有高抗干扰能力、成本低易制作等特点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法。
背景技术
微纳光纤结合了纳米技术和光纤技术，是目前各类纳米量级光学器件的基础。自上世纪八十年代开始，光纤光学领域的发展与进步，研究者们逐渐将普通光纤进行拉制到微米级别，本世纪开始才出现纳米级别光纤。对于目前热度极高的微纳光纤就有高灵敏度，高传感度等优良特性，是未来发展和讨论的重要课题。
紫外探测技术，与传统的激光探测技术和红外探测技术相比有着显著的优势，被应用到许多领域中。在宇宙航空航天探测领域，紫外波的探测是必不可缺的一部分；在通讯领域，光电通讯已经在现如今的社会中融会贯通，其中紫外通讯系统拥有抗干扰能力强、非视距通讯、保密性好优点，给人们的生活带来极大的便利；在民用生活领域，指纹在犯罪破案中是有力的证据之一，在罪犯作案的现场留下的指纹会经过紫外光的吸收散射以及反射的特点，借助现有技术可以大大提高检测精读。除此之外，在安全监测、灾害预报等方面，紫外检测技术都得到了广泛的应用。
除了在光纤结构上的改良，在传感单元上涂覆敏感材料也可大大提升传感器的灵敏性能。目前，应用于传感头涂覆的敏感材料中过渡金属氧化物、石墨烯等都备受青睐。因此，多样而复杂的传感头结构配合着相互不同的敏感材料，结合实际情况可以大大提高传感器性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷以及改进需要，本发明提供了基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其目的在于通过局部放电产生的紫外光间接测量，由此有效的解决了目前耦合器探测技术抗干扰能力弱、稳定性差的问题，以此制备出抗干扰能力强、高灵敏度的局放探测系统。
按照本发明的一方面，提供给了基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于，该方法的系统包括依次连接的宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、微纳光纤耦合器(3)、光谱仪(4)，其中：
所述的微纳光纤耦合器(3)内包含一号单模光纤(3-1)、二号单模光纤(3-2)、ZnO纳米棒(3-3)，微纳光纤耦合器(3)一端连接光纤耦合器(2)另一端连接光谱仪(4)，微纳光纤耦合器(3)作为接收局放产生的紫外光的传感单元，光纤耦合器(2)另一端连接宽带光源(1)；
所述的微纳光纤耦合器(3)是由一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-2)熔融拉制而成，在锥区部分一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-2)相互存在模式耦合特性，其结构中包含的一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-2)分光比为0.3:0.7；
所述的光纤耦合器(2)中包含的两个光纤之间分光比为0.3:0.7；
所述的探测方法为：光从宽带光源(1)中被射入到光纤耦合器(2)并以0.3:0.7的分光比将光分成两束，两束光从2x2结构的微纳光纤耦合器(3)的输入端传输至锥形区域进行耦合，锥形区域均匀的包覆着ZnO纳米棒(3-3)，当外界的紫外强度发生变化时，会引起敏感材料ZnO纳米棒(3-3)的折射率产生变化，由于微纳光纤耦合器(3)的模式耦合系数对折射率变化很敏感，因此通过对光谱仪(4)中光谱的红蓝漂移现象，可以间接得到微纳光纤耦合器(3)对外界紫外强度变化的灵敏度，从而实现了对外环境下局放产生的紫外光的高灵敏检测。
所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的宽带光源(1)的频带宽度为40nm，且该宽带光源(1)的中心波长为1550nm，用于提供光信号。
所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-2)纤芯直径为9μm，包层直径为125μm。
所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的局放产生的紫外光在实验中用可调节输出功率紫外灯代替。
所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的光谱仪具有20pm的最大分辨率。
所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的光纤耦合器(2)、微纳光纤耦合器(3)之间通过熔融的方式连接，构成了马赫曾德干涉型光纤局放探测传感单元。
所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法中的系统的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)先对光纤进行预处理操作，即洗涤衬底：选择单模光纤及石英玻璃作为衬底，要把单模光纤的涂覆层进行处理，之后利用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗105-115s，而石英玻璃则先后使用浓盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗8-9min，并放置在干燥箱中进行干燥；
(2)再利用氢氧拉锥机先对其中一根单模光纤进行拉伸，然后再把预先拉伸的光纤和未拉伸的另一根单模光纤靠在一起同时进行拉伸，这样拉伸完成后便可实现两光纤的直径不同；
(3)采用调整分光比的方法制作微纳光纤耦合器：通过与氢氧拉锥机连接的电脑修改两根光纤的分光比0.3:0.7进行拉锥；
(4)采用水热法制备ZnO纳米棒材料：配置ZnO种子溶液：乙酸锌配置浓度为0.015M的无水乙醇溶液，氢氧化钠配成20mL的无水乙醇溶液，将乙酸锌无水乙醇溶液与氢氧化钠无水乙醇溶液一边搅拌，一边混合，即为种子溶液，混合之后倒入烧杯中，在磁力搅拌器下70℃水浴搅拌2h，搅拌至出现白色沉淀为止，封存起来放置18h，让大颗粒的混合颗粒通过重力作用沉至瓶底；用氦氖激光灯照射配好的溶液，来验证溶液是否配置成功；如照射出现丁达尔效应，则证明溶液呈现胶体状态，也说明了溶液配制成功；配置生长溶液：硝酸锌配置200ml浓度为0.015M的水溶液，六次甲基四胺配置200ml浓度为0.015M的水溶液，通过磁力搅拌将两种溶液均匀混合；
(5)采用生长法在微纳光纤耦合器上涂覆ZnO纳米棒材料：先用胶头滴管从烧杯取种子溶液上层澄清液，滴至洗好的光纤、石英玻璃衬底上，使衬底表面沾满种子溶液，重复4-5次，再放至干燥箱中170℃退火25min，重复着种4-5次；再将着种的光纤、石英玻璃放至生长溶液中，密封并放在恒温干燥箱下95℃加热，恒温加热2.5h；最后将生长好的ZnO纳米棒的微纳光纤耦合器从生长溶液中取出，用去离子水超声清洗110s，再放入干燥箱中95℃干燥2.5h；
将生长好的微纳光纤耦合器(3)与光纤耦合器(2)、光谱仪(4)连接，进而对微纳光纤耦合器(3)用紫外灯进行照射，完成局部探测试验。
所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法中的系统的制作方法，其特征在于：对光纤进行预处理操作中石英玻璃放置在干燥箱中进行干燥时间为0.5小时。
总体而言，按照本发明的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法与现有技术相比较，主要具有以下优势：
1.通过在微纳光纤耦合器传感单元中应用微纳结构，而且涂覆了ZnO纳米棒材料，可以有效提高紫外探测效果；
2.该系统构造出马赫曾德传感结构，提高了传感单元的灵敏度及稳定性；
3.按照本发明所构造的微纳光纤耦合器紫外探测装置可以单纯用制作方法简单的滴涂法、水热法并用熔接机熔接即可制作完整系统，方便操作，简单易行，探测灵敏度高，成本低，适用于大批量生产制作。
附图说明
图1是基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法的整体构造示意图；
图2是微纳光纤耦合器放大示意图。
具体实施方式
以下实施将结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是按照本发明的基于微纳光纤耦合器的M-Z干涉型光纤局放探测方法的整体构造示意图。如图1所示按照本发明所构建的基于微纳光纤耦合器的M-Z干涉型光纤局放探测方法的系统主要包括依次连接的宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、微纳光纤耦合器(3)、光谱仪(4)，其中：所述的微纳光纤耦合器(3)内包含一号单模光纤(3-1)、二号单模光纤(3-2)、ZnO纳米棒(3-3)，微纳光纤耦合器(3)一端连接光纤耦合器(1)另一端连接光谱仪(4)，并用紫外灯照射微纳光纤耦合器(3)传感单元；宽带光源(1)的频带宽度为40nm，且该宽带光源(1)的中心波长为1550nm，用于提供光信号，将光传输给光纤耦合器(2)，之后分成两束；由微纳光纤耦合器(3)接收，在可调节输出功率的紫外灯照射传感单元下；与微纳光纤耦合器(3)连接的具有20pm的最大分辨率光谱仪测绘分析得到光谱，执行了光谱的检测并得到数据。
具体而言，按照本发明的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法的系统包括五部分，分别为宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、微纳光纤耦合器(3)、光谱仪(4)。宽带光源(1)发出光信号经过连接部分进入光纤耦合器(2)中，然后分出两束光再进入微纳光纤耦合器(3)，在紫外灯的有效照射下，最后进入光谱仪(4)。
为了提高传感单元对紫外检测的灵敏，本系统中将分光比设定为0.3:0.7并且在微纳光纤耦合器(3)上涂覆ZnO纳米棒(3-3)。具体方式是：
(1)先对光纤进行预处理操作，即洗涤衬底：选择单模光纤及石英玻璃作为衬底，要把单模光纤的涂覆层进行处理，之后利用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗105-115s，而石英玻璃则先后使用浓盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗8-9min，并放置在干燥箱中进行干燥；
(2)再利用氢氧拉锥机先对其中一根单模光纤进行拉伸，然后再把预先拉伸的光纤和未拉伸的另一根单模光纤靠在一起同时进行拉伸了，这样拉伸完成后便可实现两光纤的直径不同；
(3)采用调整分光比的方法制作微纳光纤耦合器：通过与氢氧拉锥机连接的电脑修改两根光纤的分光比0.3:0.7进行拉锥；
(4)采用水热法制备ZnO纳米棒材料：配置ZnO种子溶液的：乙酸锌配置浓度为0.01M的无水乙醇溶液，氢氧化钠配成20mL的无水乙醇溶液，将乙酸锌无水乙醇溶液与氢氧化钠无水乙醇溶液一边搅拌，一边混合，即为种子溶液，混合之后倒入烧杯中，在磁力搅拌器下65℃水浴搅拌1.5h，搅拌至出现白色沉淀为止，封存起来放置20h，让大颗粒的混合颗粒通过重力作用沉至瓶底；用氦氖激光灯照射配好的溶液，来验证溶液是否配置成功；如照射出现丁达尔效应，则证明溶液呈现胶体状态，也说明了溶液配制成功；配置生长溶液：硝酸锌配置200ml浓度为0.01M的水溶液，六次甲基四胺配置200ml浓度为0.01M的水溶液，通过磁力搅拌将两种溶液均匀混合；
(5)采用生长法在微纳光纤耦合器上涂覆ZnO纳米棒材料：先用胶头滴管从烧杯取种子溶液上层澄清液，滴至洗好的光纤、石英玻璃衬底上，使衬底表面沾满种子溶液，重复3次，再放至干燥箱中160℃退火35min，重复着种3次；再将着种的光纤、石英玻璃放至生长溶液中，密封并放在恒温干燥箱下90℃加热，恒温加热3.5h；最后将生长好的ZnO纳米棒的微纳光纤耦合器从生长溶液中取出，用去离子水超声清洗120s，再放入干燥箱中85℃干燥3h；
将生长好的微纳光纤耦合器(3)与光纤耦合器(2)、光谱仪(4)连接，进而对微纳光纤耦合器(3)用紫外灯进行照射，完成局部探测试验。
工作原理：光从宽带光源中被射入到光纤耦合器并以0.3:0.7的分光比将光分成两束，两束光从2x2结构的微纳光纤耦合器的输入端传输至锥形区域进行耦合，锥形区域均匀的包覆着ZnO纳米棒，当外界的紫外强度发生变化时，会引起敏感材料ZnO纳米棒的折射率产生变化，由于微纳光纤耦合器的模式耦合系数对折射率变化很敏感，因此通过对光谱仪中光谱的红蓝漂移现象，可以间接得到微纳光纤耦合器对外界紫外强度变化的灵敏度，从而实现了对外环境下局放产生的紫外光的高灵敏检测。
Claims (8)
1.基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于，该方法的系统包括依次连接的宽带光源(1)、光纤耦合器(2)、微纳光纤耦合器(3)、光谱仪(4)，其中：
所述的微纳光纤耦合器(3)内包含一号单模光纤(3-1)、二号单模光纤(3-2)、ZnO纳米棒(3-3)，微纳光纤耦合器(3)一端连接光纤耦合器(2)另一端连接光谱仪(4)，微纳光纤耦合器(3)作为接收局放产生的紫外光的传感单元，光纤耦合器(2)另一端连接宽带光源(1)；
所述的微纳光纤耦合器(3)是由一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-2)熔融拉制而成，在锥区部分一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-2)相互存在模式耦合特性，其结构中包含的一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-2)分光比为0.3:0.7；
所述的光纤耦合器(2)中包含的两个光纤之间分光比为0.3:0.7；
所述的探测方法为：光从宽带光源(1)中被射入到光纤耦合器(2)并以0.3:0.7的分光比将光分成两束，两束光从2x2结构的微纳光纤耦合器(3)的输入端传输至锥形区域进行耦合，锥形区域均匀的包覆着ZnO纳米棒(3-3)，当外界的紫外强度发生变化时，会引起敏感材料ZnO纳米棒(3-3)的折射率产生变化，由于微纳光纤耦合器(3)的模式耦合系数对折射率变化很敏感，因此通过对光谱仪(4)中光谱的红蓝漂移现象，可以间接得到微纳光纤耦合器(3)对外界紫外强度变化的灵敏度，从而实现了对外环境下局放产生的紫外光的高灵敏检测。
2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的宽带光源(1)的频带宽度为40nm，且该宽带光源(1)的中心波长为1550nm，用于提供光信号。
3.根据权利要求1所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-2)纤芯直径为9μm，包层直径为125μm。
4.根据权利要求1所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的局放产生的紫外光在实验中用可调节输出功率紫外灯代替。
5.根据权利要求1所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的光谱仪具有20pm的最大分辨率。
6.根据权利要求1所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法，其特征在于：所述的光纤耦合器(2)、微纳光纤耦合器(3)之间通过熔融的方式连接，构成了马赫曾德干涉型光纤局放探测传感单元。
7.根据权利要求1所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法中的系统的制作方法，其特征在于：
先对光纤进行预处理操作，即洗涤衬底：选择单模光纤及石英玻璃作为衬底，要把单模光纤的涂覆层进行处理，之后利用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗105-115s，而石英玻璃则先后使用浓盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗8-9min，并放置在干燥箱中进行干燥；
再利用氢氧拉锥机先对其中一根单模光纤进行拉伸，然后再把预先拉伸的光纤和未拉伸的另一根单模光纤靠在一起同时进行拉伸，这样拉伸完成后便可实现两光纤的直径不同；
采用调整分光比的方法制作微纳光纤耦合器：通过与氢氧拉锥机连接的电脑修改两根光纤的分光比0.3:0.7进行拉锥；
采用水热法制备ZnO纳米棒材料：配置ZnO种子溶液：乙酸锌配置浓度为0.015M的无水乙醇溶液，氢氧化钠配成20mL的无水乙醇溶液，将乙酸锌无水乙醇溶液与氢氧化钠无水乙醇溶液一边搅拌，一边混合，即为种子溶液，混合之后倒入烧杯中，在磁力搅拌器下70℃水浴搅拌2h，搅拌至出现白色沉淀为止，封存起来放置18h，让大颗粒的混合颗粒通过重力作用沉至瓶底；用氦氖激光灯照射配好的溶液，来验证溶液是否配置成功；如照射出现丁达尔效应，则证明溶液呈现胶体状态，也说明了溶液配制成功；配置生长溶液：硝酸锌配置200ml浓度为0.015M的水溶液，六次甲基四胺配置200ml浓度为0.015M的水溶液，通过磁力搅拌将两种溶液均匀混合；
采用生长法在微纳光纤耦合器上涂覆ZnO纳米棒材料：先用胶头滴管从烧杯取种子溶液上层澄清液，滴至洗好的光纤、石英玻璃衬底上，使衬底表面沾满种子溶液，重复4-5次，再放至干燥箱中170℃退火25min，重复着种4-5次；再将着种的光纤、石英玻璃放至生长溶液中，密封并放在恒温干燥箱下95℃加热，恒温加热2.5h；最后将生长好的ZnO纳米棒的微纳光纤耦合器从生长溶液中取出，用去离子水超声清洗110s，再放入干燥箱中95℃干燥2.5h；
将生长好的微纳光纤耦合器(3)与光纤耦合器(2)、光谱仪(4)连接，进而对微纳光纤耦合器(3)用紫外灯进行照射，完成局部探测试验。
8.根据权利要求7所述的基于微纳光纤耦合器的马赫曾德干涉型光纤局放探测方法中的系统的制作方法，其特征在于：对光纤进行预处理操作中石英玻璃放置在干燥箱中进行干燥时间为0.5小时。
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