CN112014355A - 一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统，属于气体检测技术领域，该系统包括光源、微结构单模光纤、光电检测器以及显示装置；所述微结构单模光纤长度方向设有一个横槽；横槽长度方向的两个端面与单模光纤的端面依次形成第一反射面M1、第二反射面M2以及第三反射面M3；M1与M2之间形成第一谐振腔C1,M2与M3之间形成第二谐振腔C2；所述单模光纤远离横槽方向的一端涂抹石墨烯；所述光源通过耦合器进入单模光纤涂抹石墨烯的一端；所述耦合器还连接光电检测器，所述光电检测器与显示装置连接。本公开的气体检测系统通过外界气体浓度的改变从而导致光纤反射率的改变，可实现对待定气体的实时检测，抗干扰能力强且灵敏度高。

Description

一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统
技术领域
本公开属于气体检测技术领域，具体是涉及了一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
随着工业化的迅速发展，有毒有害气体已经成为我们在生产和生活中不得面对的危险来源，同时使人类的生存环境受到大面积污染。包括石化企业、化工行业、环保应急事故、恐怖袭击、危险品储运、垃圾填埋乃至城市污水处理、各类地下管线等等各个方面。另外，国内煤矿瓦斯爆炸的事件时有发生，氨气的泄露会造成空气污染和严重的健康风险，过量的氨水会导致肺肿胀甚至死亡。为了尽可能地减轻这些危害，就必须对特殊环境中的气体进行快速、实时、高效的检测。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本公开的目的是一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统。
本公开至少一实施例提供了一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统，该检测系统包括光源、微结构单模光纤、光电检测器以及显示装置；
所述微结构单模光纤长度方向设有一个横槽；横槽长度方向的两个端面与单模光纤的端面依次形成第一反射面M1、第二反射面M2以及第三反射面M3；M1与M2之间形成第一谐振腔C1, M2与M3之间形成第二谐振腔C2；所述单模光纤远离横槽方向的一端涂抹石墨烯；所述光源通过耦合器进入单模光纤涂抹石墨烯的一端；所述耦合器还连接光电检测器，所述光电检测器与显示装置连接。
进一步地，所述横槽通过飞秒激光器雕刻而成。
进一步地，所述M1面的反射率为R1、M2面的反射率为R2，光强表示为：
Figure 257260DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 236717DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 328039DEST_PATH_IMAGE006
为谐振腔C1的传输损耗；
Figure 723248DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 537620DEST_PATH_IMAGE010
为光在谐振腔C1内传输导致的相移， 其中
Figure 422399DEST_PATH_IMAGE012
为谐振腔C1内介质(即空气) 的有效折射率，
Figure 689433DEST_PATH_IMAGE014
为输入光在真空中的波长。
进一步地，所述M3的反射率为
Figure 701382DEST_PATH_IMAGE016
, 则光源经三个反射面后总的反射光强可表示为：
Figure 370261DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 363625DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 180271DEST_PATH_IMAGE022
为谐振腔C2的传输损耗；
Figure 917283DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 752253DEST_PATH_IMAGE026
为光在谐振腔C2内传输导致的相移, 其中
Figure 182097DEST_PATH_IMAGE028
为谐振腔C2内介质的有效折射率。
与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
从光源发出经过3dB耦合器进入光纤中，经过M1时被反射，部分透射光继续在光纤中传播，到达M2被反射，同样的部分光继续沿光纤传播到达光纤端面全部反射回来，形成双F-P腔干涉。在光纤端面涂覆石墨烯，主要是因为石墨烯吸附外界气体分子，可以将气体分子吸附在石墨烯的表面充当电子供体或受体，形成电掺杂，导致石墨烯的电导率和介电常数发生改变，进而影响其光学折射率，在接收端能观察到气体变化的频谱图样。这样的灵敏度实际上可以探测单个气体分子。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的基于游标效应的微结构光纤气体结构示意图；
图2为本公开实施例提供的基于游标效应的微结构光纤气体传感系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
本实施例公开基于游标效应的微结构光纤气体检测系统主要包括光源、微结构单模光纤、光电检测器以及显示装置；所述单模光纤长度方向设有一个横槽；横槽长度方向的两个端面与单模光纤的端面依次形成第一反射面M1、第二反射面M2以及第三反射面M3；M1与M2之间形成第一谐振腔C1, M2与M3之间形成第二谐振腔C2；所述单模光纤远离横槽方向的一端涂抹石墨烯；所述光源通过耦合器进入单模光纤涂抹石墨烯的一端；所述耦合器还连接光电检测器，所述光电检测器与显示装置连接。
所以本实施例公开的气体检测系统核心是基于游标效应的F-P干涉原理结构，在微结构光纤的端面涂覆一层石墨烯，当光进入到光纤中，经过M1的部分光会被反射回来，另一部分光继续在光纤中传播，再经过M2时，同样部分光被反射，部分光继续传播，最后到达光纤端面被反射，形成两个F-P干涉。利用石墨烯对外界气体分子具有很强的吸附能力，从而实现对待测气体的检测。
进一步地，如图1-图2所示，上述光纤微结构的制作方法：第一步，用光纤剥钳将单模光纤（纤芯直径为9μm包层直径为125μm）的涂敷层剥掉2cm，然后用酒精擦拭并用光纤切割刀将其端面切平。第二步，利用飞秒激光器在单模光纤纤芯部分刻蚀一个微槽，由于固态纤芯和空气的折射率不匹配，因此构成三个反射面, 对应图中的M1, M2和M3。这三个反射面进一步组成了级联的两个 FPI，对应谐振腔C1和C2,其腔长分别用
Figure 423722DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 761163DEST_PATH_IMAGE032
来表示。对于由M1 和 M2 组成的空气腔 FPI，其反射光谱为典型的双光束干涉，如图1所示，因此，在接收端会看到双F-P腔级联形成的包络光谱图。在本文中，巧妙地运用石墨烯特有的光学属性与气体相结合，得到一个超高灵敏度的传感器。该结构制作方法简易、稳定性好、一体化。
进一步地，本公开实施例公开的基于游标效应的微结构光纤气体传感器是以双F-P腔级联的反射式吸收光谱传感器。假设M1面和M2面的反射率分别为
Figure 404634DEST_PATH_IMAGE034
,
Figure 552849DEST_PATH_IMAGE036
，则从左侧SMF入射的光经两个反射面后再次返回到SMF中的光强可表示为：
Figure 281771DEST_PATH_IMAGE002
(1)
式中，
Figure 360585DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 920880DEST_PATH_IMAGE006
为谐振腔C1的传输损耗；
Figure 692527DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 954750DEST_PATH_IMAGE010
为光在谐振腔C1内传输导致的相移， 其中
Figure 837255DEST_PATH_IMAGE012
为谐振腔C1内介质(即空气) 的有效折射率，
Figure 252056DEST_PATH_IMAGE014
为输入光在真空中的波长。
由M1，M2和M3构成三光束干涉器件, 设M3的反射率为
Figure 194604DEST_PATH_IMAGE016
, 则左侧入射光经三个反射面后总的反射光强可表示为：
Figure 632539DEST_PATH_IMAGE018
(2)
式中，
Figure 866205DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 338775DEST_PATH_IMAGE022
为谐振腔C2的传输损耗；
Figure 514541DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 439772DEST_PATH_IMAGE026
为光在谐振腔C2内传输导致的相移, 其中
Figure 664080DEST_PATH_IMAGE028
为谐振腔C2内介质的有效折射率。
根据公式(2)可以看出，反射光谱的电场受
Figure 37161DEST_PATH_IMAGE026
的影响，
Figure 321512DEST_PATH_IMAGE026
由
Figure 796356DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure DEST_PATH_IMAGE037
决定。为了产生游标效应，
Figure 824354DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 818986DEST_PATH_IMAGE037
的长度应该接近但不相等，
Figure 8659DEST_PATH_IMAGE030
的长度由飞秒激光器光刻控制。最后的干涉谱线是三个单个FPI的叠加，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure DEST_PATH_IMAGE041
的自由光谱范围分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，其中，
Figure 282384DEST_PATH_IMAGE039
是由腔1构成，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
是由腔2构成。
Figure 910811DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 212479DEST_PATH_IMAGE045
分别表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
Figure DEST_PATH_IMAGE051
(3)
相互作用长度和折射率随湿度的变化而变化，因此，共振倾角波长将发生变化。所以，
Figure 448420DEST_PATH_IMAGE047
的湿度灵敏度可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
(4)
从
Figure 835539DEST_PATH_IMAGE039
的角度来看，光纤微槽是由飞秒激光器制作的，
Figure 516925DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 407520DEST_PATH_IMAGE012
基本不随湿度的变化而变化。因此，包络波长偏移量的值被放大因子放大，可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE055
(5)
因此，本实施例提出的传感器的灵敏度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
(6)
进一步地，本实施例公开的基于游标效应的微结构光纤气体传感系统示意图如图2所示。光从光源发出经过3dB耦合器进入光纤中，经过M1时被反射，部分透射光继续在光纤中传播，到达M2被反射，同样的部分光继续沿光纤传播到达光纤端面全部反射回来，形成双F-P腔干涉。在光纤端面涂覆石墨烯，主要是因为石墨烯吸附外界气体分子，可以将气体分子吸附在石墨烯的表面充当电子供体或受体，形成电掺杂，导致石墨烯的电导率和介电常数发生改变，进而影响其光学折射率，在接收端能观察到气体变化的频谱图样。这样的灵敏度实际上可以探测单个气体分子。
该基于游标效应的微结构光纤气体传感装置利用飞秒激光刻槽技术，可以很精准的设置微腔的长度与深度，其次，结构简单、易于制作、灵敏度高、响应时间快，在生化、医疗、食品等领域有很好的应用价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统，其特征在于，包括光源、单模光纤、光电检测器以及显示装置；
所述单模光纤长度方向设有一个横槽；横槽长度方向的两个端面与单模光纤的端面依次形成第一反射面M1、第二反射面M2以及第三反射面M3；M1与M2之间形成第一谐振腔C1,M2与M3之间形成第二谐振腔C2；所述单模光纤远离横槽方向的一端涂抹石墨烯；所述光源通过耦合器进入单模光纤涂抹石墨烯的一端；所述耦合器还连接光电检测器，所述光电检测器与显示装置连接。
2.如权利要求1所述一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统，其特征在于，所述横槽通过飞秒激光器雕刻而成。
3.如权利要求1所述一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统，其特征在于，所述M1面的反射率为R1、M2面的反射率为R2，光强表示为：
Figure 151520DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 822673DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 996165DEST_PATH_IMAGE006
为谐振腔C1的传输损耗；
Figure 318431DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 286387DEST_PATH_IMAGE010
为光在谐振腔C1内传输导致的相移， 其中
Figure 382519DEST_PATH_IMAGE012
为谐振腔C1内介质(即空气) 的有效折射率，
Figure 953178DEST_PATH_IMAGE014
为输入光在真空中的波长。
4.如权利要求3所述一种基于游标效应的微结构光纤气体检测系统，其特征在于，所述M3的反射率为
Figure 818366DEST_PATH_IMAGE016
, 则光源经三个反射面后总的反射光强可表示为：
Figure 957223DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 353700DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 603416DEST_PATH_IMAGE022
为谐振腔C2的传输损耗；
Figure 651006DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 960765DEST_PATH_IMAGE026
为光在谐振腔C2内传输导致的相移, 其中
Figure 343074DEST_PATH_IMAGE028
为谐振腔C2内介质的有效折射率。
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