CN113588623B - 基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，包括激光器、空芯光纤、光谱仪与数据处理装置；所述空芯光纤包括外实心石英包层及其内部开设的中空气腔，外实心石英包层、中空气腔同轴设置；所述激光器发出的激光耦合入空芯光纤的输入端，空芯光纤的输出端射出的拉曼散射光输入至光谱仪的输入端，光谱仪的输出端与数据处理装置进行信号连接，中空气腔内设置有待测气体，外实心石英包层上近光谱仪的一端的端面上设置有镀膜层；所述空芯光纤优选为空芯反谐振光纤。本设计不仅被干扰性较弱、检测效果较好，而且容易操作，易推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉曼光谱检测装置，属于气体拉曼检测技术领域，尤其涉及一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统。
背景技术
光照到物质上时会发生散射，而光的散射又分为弹性散射和非弹性散射；对于弹性散射来说，散射光频率等于入射光频率，对于非弹性散射来说，散射光频率与入射光频率是不相等的，对于散射光频率大于入射光频率的称为反斯托克斯光，对于散射光频率小于入射光频率的称为斯托克斯光，这两者统称为拉曼散射。通过测量气体的拉曼光谱能对气体的成分和浓度进行检测。
但现有技术中在利用该原理测量气体时，常受到干扰，检测时会收得较多或较强的干涉信号，降低检测效果。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的被干扰性较强、检测效果较差的缺陷与问题，提供一种被干扰性较弱、检测效果较好的基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，包括激光器、光谱仪与数据处理装置；所述拉曼光谱检测系统还包括一根空芯光纤，该空芯光纤包括外实心石英包层及其内部开设的中空气腔，外实心石英包层、中空气腔同轴设置；
所述激光器发出的激光耦合入空芯光纤的输入端，空芯光纤的输出端射出的拉曼散射光输入至光谱仪的输入端，光谱仪的输出端与数据处理装置进行信号连接，且在中空气腔内设置有待测气体；
所述外实心石英包层上近光谱仪的一端的端面上设置有镀膜层。
所述空芯光纤为空芯反谐振光纤，其包括外实心石英包层及其内部设置的内石英包层、中空气腔；
所述内石英包层由多个石英细管构成，所有的石英细管在中空气腔内呈同一圆周均匀布置，所述石英细管的两端与外实心石英包层的两端相平齐，石英细管的外管壁与外实心石英包层的内侧壁相连接，且石英细管的中轴线与外实心石英包层的中轴线相平行。
所述石英细管上近光谱仪的一端的端面上设置有镀膜层。
所述镀膜层的制造材料为金属或黑色的非金属物质。
所述黑色的非金属物质是指炭黑。
所述金属是指铬、镍或金。
所述镀膜层包括内膜层与外膜层，所述内膜层的一侧近空芯光纤设置，内膜层的另一侧与外膜层的一侧贴合连接，外膜层的另一侧向远离空芯光纤的方向延伸；所述内膜层的制造材料为铬，所述外膜层的制造材料为金。
所述内膜层的厚度为15nm，所述外膜层的厚度为50nm。
所述镀膜层的制作工艺为热蒸镀法，所述镀膜层的制造材料为金属，在制作过程中，空芯光纤上待设置镀膜层的端面的法线方向与金属蒸汽的方向呈现的夹角为八十度至一百度。
所述镀膜层的制作工艺包括以下步骤：
先将空芯光纤的输出端去除涂覆层，再将输出端的端面切平，然后将空芯光纤缠绕成一圈圈的圆环，并将输出端露在外面，同时，将空芯光纤的输入端用高温胶粘住保护，再将缠绕好的空芯光纤用高温胶固定在载玻片上，然后将固定有空芯光纤的载玻片夹持在热蒸镀机的盖子上，再调整载玻片放置的方向，以使得输出端的端面的法线方向与金属蒸汽的方向呈现的夹角为八十度至一百度，然后将金属颗粒放入热蒸镀机以开始蒸镀，直至在输出端的端面上镀上金属薄膜，以得到镀膜层。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统中，包括激光器、空芯光纤、光谱仪、数据处理装置，其中，空芯光纤包括外实心石英包层及其内部开设的中空气腔，激光器发出的激光耦合入空芯光纤的输入端，空芯光纤的输出端射出的拉曼散射光输入至光谱仪的输入端，光谱仪的输出端与数据处理装置进行信号连接，中空气腔内设置有待测气体，且在外实心石英包层上近光谱仪的一端的端面上设置有镀膜层，应用时，入射激光与外实心石英包层相互作用产生的石英拉曼信号会沿着外实心石英包层进行传输，同时，射入中空气腔的激光会与待测气体相互作用产生气体拉曼信号，该气体拉曼信号沿着中空气腔进行传输，当石英拉曼信号、气体拉曼信号传输至空芯光纤的输出端的端面时，镀膜层能对石英拉曼信号进行阻挡，使得石英拉曼信号不能沿着输出端的光纤端面泄露出去，从而有效地避免了石英拉曼信号接入光谱仪而对气体拉曼信号造成影响，大大降低了石英拉曼信号的干扰，有利于提升检测效果，此外，本设计在应用时，容易操作，易与现有设备进行对接。因此，本发明不仅被干扰性较弱、检测效果较好，而且容易操作，易推广应用。
2、本发明一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统中，空芯光纤可优选为空芯反谐振光纤，此时，空芯反谐振光纤包括外实心石英包层及其内部设置的内石英包层、中空气腔，其中，内石英包层由多个石英细管构成，在设置镀膜层时，既可以是只在外实心石英包层的输出端的端面上设置，也可以在此基础之上，在石英细管的输出端的端面上也设置镀膜层，效果更佳。因此，本发明适用于空芯反谐振光纤，还能提升检测效果。
3、本发明一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统中，镀膜层的制造材料为金属或黑色的非金属物质，其中，所述金属优选为铬、镍或金，所述黑色的非金属物质优选为炭黑，该设计能增强本发明的可调性，以拓展本发明的应用范围。因此，本发明的可调性较强，应用范围较广。
4、本发明一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统中，镀膜层的制作工艺优选为热蒸镀法，同时，限定镀膜层的制造材料为金属，在制作过程中，空芯光纤上待设置镀膜层的端面的法线方向与金属蒸汽的方向接近垂直，即呈现的夹角为八十度至一百度，该设计既能实现镀膜层的制作，又能便于操作，不会干扰到空芯光纤的内部构造。因此，本发明的制作效率较高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中的空芯光纤为空芯反谐振光纤时的结构示意图。
图3是图2的输出端的端面结构示意图。
图4是本发明中内膜层、外膜层、外实心石英包层的相对位置示意图。
图5是本发明的实施例2中未采取镀膜层的检测结果图。
图6是本发明的实施例2中已采取镀膜层的检测结果图。
图5、图6中的横坐标为拉曼位移，纵坐标为光强。
图中：激光器1、空芯光纤2、外实心石英包层21、中空气腔22、内石英包层23、石英细管24、端口25、光谱仪3、数据处理装置4、镀膜层5、内膜层51、外膜层52。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1—图6，一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，包括激光器1、光谱仪3与数据处理装置4；所述拉曼光谱检测系统还包括一根空芯光纤2，该空芯光纤2包括外实心石英包层21及其内部开设的中空气腔22，外实心石英包层21、中空气腔22同轴设置；
所述激光器1发出的激光耦合入空芯光纤2的输入端，空芯光纤2的输出端射出的拉曼散射光输入至光谱仪3的输入端，光谱仪3的输出端与数据处理装置4进行信号连接，且在中空气腔22内设置有待测气体；
所述外实心石英包层21上近光谱仪3的一端的端面上设置有镀膜层5。
所述空芯光纤2为空芯反谐振光纤，其包括外实心石英包层21及其内部设置的内石英包层23、中空气腔22；
所述内石英包层23由多个石英细管24构成，所有的石英细管24在中空气腔22内呈同一圆周均匀布置，所述石英细管24的两端与外实心石英包层21的两端相平齐，石英细管24的外管壁与外实心石英包层21的内侧壁相连接，且石英细管24的中轴线与外实心石英包层21的中轴线相平行。
所述石英细管24上近光谱仪3的一端的端面上设置有镀膜层5。
所述镀膜层5的制造材料为金属或黑色的非金属物质。
所述黑色的非金属物质是指炭黑。
所述金属是指铬、镍或金。
所述镀膜层5包括内膜层51与外膜层52，所述内膜层51的一侧近空芯光纤2设置，内膜层51的另一侧与外膜层52的一侧贴合连接，外膜层52的另一侧向远离空芯光纤2的方向延伸；所述内膜层51的制造材料为铬，所述外膜层52的制造材料为金。
所述内膜层51的厚度为15nm，所述外膜层52的厚度为50nm。
所述镀膜层5的制作工艺为热蒸镀法，所述镀膜层5的制造材料为金属，在制作过程中，空芯光纤2上待设置镀膜层5的端面的法线方向与金属蒸汽的方向呈现的夹角为八十度至一百度。
所述镀膜层5的制作工艺包括以下步骤：
先将空芯光纤2的输出端去除涂覆层，再将输出端的端面切平，然后将空芯光纤2缠绕成一圈圈的圆环，并将输出端露在外面，同时，将空芯光纤2的输入端用高温胶粘住保护，再将缠绕好的空芯光纤2用高温胶固定在载玻片上，然后将固定有空芯光纤2的载玻片夹持在热蒸镀机的盖子上，再调整载玻片放置的方向，以使得输出端的端面的法线方向与金属蒸汽的方向呈现的夹角为八十度至一百度，然后将金属颗粒放入热蒸镀机以开始蒸镀，直至在输出端的端面上镀上金属薄膜，以得到镀膜层5。
本发明的原理说明如下：
本发明一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，适用于对于不同浓度、不同压力的单组分、多组分气体的在线监测，适合于低压气氛混合气体的检测，适合于痕量气体的检测。
本发明中外实心石英包层21上近光谱仪3的一端的端面上设置有镀膜层5，此外，石英细管24上近光谱仪3的一端的端面上也会设置有镀膜层5，该种设置镀膜层5的操作是指：在外实心石英包层21或石英细管24的端面的端口25上覆盖式的镀或涂覆上材料（金属或黑色的非金属物质）以构成镀膜层5。
本发明中空芯光纤2上待设置镀膜层5的端面与金属蒸汽的方向呈现的夹角为八十度至一百度，优选为相互垂直，即夹角为90度。
实施例1：
参见图1—图6，一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，包括激光器1、空芯光纤2、光谱仪3与数据处理装置4；所述空芯光纤2包括外实心石英包层21及其内部开设的中空气腔22，外实心石英包层21、中空气腔22同轴设置；所述激光器1发出的激光耦合入空芯光纤2的输入端，空芯光纤2的输出端射出的拉曼散射光输入至光谱仪3的输入端，光谱仪3的输出端与数据处理装置4进行信号连接，且在中空气腔22内设置有待测气体；所述外实心石英包层21上近光谱仪3的一端的端面上设置有镀膜层5。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
所述空芯光纤2为空芯反谐振光纤，其包括外实心石英包层21及其内部设置的内石英包层23、中空气腔22；所述内石英包层23由多个石英细管24构成，所有的石英细管24在中空气腔22内呈同一圆周均匀布置，所述石英细管24的两端与外实心石英包层21的两端相平齐，石英细管24的外管壁与外实心石英包层21的内侧壁相连接，且石英细管24的中轴线与外实心石英包层21的中轴线相平行。
相比于将没有镀膜的空芯反谐振光纤接入光路对于空气气氛进行短时间曝光得到的实验结果（如图5所示），可以明显看出，镀膜后位于800拉曼位移附近的石英拉曼信号峰被滤除的很好（如图6所示），氧气信号峰和氮气信号峰都得到了明显的增强，说明端面镀膜后的空芯反谐振光纤对于石英拉曼信号的滤除效果很好。
实施例3：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
所述镀膜层5的制作工艺包括以下步骤：先将空芯光纤2的输出端去除涂覆层，再将输出端的端面切平，然后将空芯光纤2缠绕成一圈圈的圆环，并将输出端露在外面，同时，将空芯光纤2的输入端用高温胶粘住保护，再将缠绕好的空芯光纤2用高温胶固定在载玻片上，然后将固定有空芯光纤2的载玻片夹持在热蒸镀机的盖子上，再调整载玻片放置的方向，以使得输出端的端面的法线方向与金属蒸汽的方向呈现的夹角为八十度至一百度，然后将金属颗粒放入热蒸镀机以开始蒸镀，直至在输出端的端面上镀上金属薄膜，以得到镀膜层5。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，包括激光器（1）、光谱仪（3）与数据处理装置（4），其特征在于：所述拉曼光谱检测系统还包括一根空芯光纤（2），该空芯光纤（2）包括外实心石英包层（21）及其内部开设的中空气腔（22），外实心石英包层（21）、中空气腔（22）同轴设置；
所述激光器（1）发出的激光耦合入空芯光纤（2）的输入端，空芯光纤（2）的输出端射出的拉曼散射光输入至光谱仪（3）的输入端，光谱仪（3）的输出端与数据处理装置（4）进行信号连接，且在中空气腔（22）内设置有待测气体；
所述外实心石英包层（21）上近光谱仪（3）的一端的端面上设置有镀膜层（5）；
所述镀膜层（5）的制造材料为金属或黑色的非金属物质；所述黑色的非金属物质是指炭黑。
2.根据权利要求1所述的一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述空芯光纤（2）为空芯反谐振光纤，其包括外实心石英包层（21）及其内部设置的内石英包层（23）、中空气腔（22）；
所述内石英包层（23）由多个石英细管（24）构成，所有的石英细管（24）在中空气腔（22）内呈同一圆周均匀布置，所述石英细管（24）的两端与外实心石英包层（21）的两端相平齐，石英细管（24）的外管壁与外实心石英包层（21）的内侧壁相连接，且石英细管（24）的中轴线与外实心石英包层（21）的中轴线相平行。
3.根据权利要求2所述的一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述石英细管（24）上近光谱仪（3）的一端的端面上设置有镀膜层（5）。
4.根据权利要求1所述的一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述金属是指铬、镍或金。
5.根据权利要求1所述的一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述镀膜层（5）包括内膜层（51）与外膜层（52），所述内膜层（51）的一侧近空芯光纤（2）设置，内膜层（51）的另一侧与外膜层（52）的一侧贴合连接，外膜层（52）的另一侧向远离空芯光纤（2）的方向延伸；所述内膜层（51）的制造材料为铬，所述外膜层（52）的制造材料为金。
6.根据权利要求5所述的一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述内膜层（51）的厚度为15nm，所述外膜层（52）的厚度为50nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述镀膜层（5）的制作工艺为热蒸镀法，所述镀膜层（5）的制造材料为金属，在制作过程中，空芯光纤（2）上待设置镀膜层（5）的端面的法线方向与金属蒸汽的方向呈现的夹角为八十度至一百度。
8.根据权利要求7所述的一种基于端面镀膜的空芯光纤增强气体拉曼光谱检测系统，其特征在于：所述镀膜层（5）的制作工艺包括以下步骤：
先将空芯光纤（2）的输出端去除涂覆层，再将输出端的端面切平，然后将空芯光纤（2）缠绕成一圈圈的圆环，并将输出端露在外面，同时，将空芯光纤（2）的输入端用高温胶粘住保护，再将缠绕好的空芯光纤（2）用高温胶固定在载玻片上，然后将固定有空芯光纤（2）的载玻片夹持在热蒸镀机的盖子上，再调整载玻片放置的方向，以使得输出端的端面的法线方向与金属蒸汽的方向呈现的夹角为八十度至一百度，然后将金属颗粒放入热蒸镀机以开始蒸镀，直至在输出端的端面上镀上金属薄膜，以得到镀膜层（5）。
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