CN203025083U - 一种基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪的挥发性有机物传感器 - Google Patents
一种基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪的挥发性有机物传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪的挥发性有机物传感器。将光子晶体光纤内嵌式干涉仪完全置于套筒内，两根单模光纤分别从套筒两侧插入套筒，与光子晶体光纤内嵌式干涉仪的端面接近但不发生接触，实现未熔接的光准直，两根单模光纤的另一端分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端口光纤连接。光在光子晶体光纤内嵌式干涉仪中传播的时候会发生干涉，出射光为干涉光谱，干涉峰波长与光子晶体光纤包层空气孔内挥发性有机物的浓度有关，通过监测干涉峰的漂移可以实现对浓度的检测。本实用新型针对现有挥发性有机物传感技术中存在的检测成本高，难于实现长期重复测量和微量检测的问题，提供了一种结构紧凑、可长期重复测量、灵敏度高的基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪的挥发性有机物传感器。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪(Long period grating in photonic crystal fiber，PCF-LPG)的挥发性有机物传感器。
背景技术
挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)是最常见的一类空气污染物，通常指的是沸点在50～250℃，在常温常压下可以形成蒸气的有机物，主要包括苯系物、有机氯化物、氟利昂系列、有机酮类、醇类、胺、醚以及酯类等。VOCs具有毒性、刺激性以及致癌性，会严重破坏环境和人体健康。因此，发展灵敏、快速、准确测定空气中VOCs含量的方法是非常必要的。
在现有的检测方法中，由于光纤的独特优点，例如体积小，损耗低，适于远程检测等，基于光纤的挥发性有机物检测越来越受到人们的重视。基于光纤的挥发性有机物检测方法种类很多，最常见的是基于光谱分析的方法，对待测气体的特征吸收谱线进行检测分析得到待测气体浓度。这种检测方法灵敏度高，响应快，但是常需要特殊的光源来匹配不同种类待测气体的吸收谱范围，因此成本高，限制了其应用范围。基于光纤光栅的挥发性有机物检测也有所报道，待测气体作用于光纤光栅外部，通过影响光纤光栅的纤芯、包层有效折射率引起谐振波长的漂移。但是光栅的刻写会对光纤造成损害，难以长期使用。
针对上述问题，我们提出了一种基于光子晶体光纤内嵌式干 涉仪的挥发性有机物传感器。这种传感器结构紧凑，可长期重复测量，便于微量监测，灵敏度高，同时具有光子晶体光纤抗温度干扰的特性，可以很好的实现不同种类挥发性有机物的检测。
发明内容
本实用新型目的就是解决现有挥发性有机物传感技术中存在的检测成本高，难于实现长期重复测量和微量检测的问题，提供了一种结构紧凑、可长期重复测量、灵敏度高的基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪的挥发性有机物传感器。
一种基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪实现挥发性有机物传感器，包括一个宽带光源、两根单模光纤、一段光子晶体光纤内嵌式干涉仪、一个套筒和一个光谱仪。将光子晶体光纤内嵌式干涉仪完全置于套筒内，将两根单模光纤分别从套筒两侧插入套筒内，与光子晶体光纤内嵌式干涉仪的端面接近但不发生接触，实现未熔接的光准直，两根单模光纤的另一端分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端口光纤连接。
所述的光子晶体光纤内嵌式干涉仪是利用二氧化碳激光器在光子晶体光纤上刻写两个完全相同的长周期光栅，两个长周期光栅的透光率均为3dB，中心波长一致，栅格中心间距为1～4cm；
所述的套筒内径为126～127μm，套筒两端比光子晶体光纤内嵌式干涉仪长2～4cm，长出的部分经预处理有镂空的网状结构。
本实用新型所具有的有益效果为：
1.通过选择合适的栅格中心间距，在光子晶体光纤上刻写两个完全相同的透光率为3dB的长周期光栅制成内嵌式干涉仪，使得输出光为以长周期光纤光栅透射谱为包络的干涉光谱，干涉条纹对相位变化非常敏感，并且VOCs经过挥发并扩散进入光子晶体 光纤包层的空气孔后，对光子晶体光纤的芯模和包层模的有效折射率的作用更为直接，进一步增加测量灵敏度，因此本实用新型设计的传感器具有更高的灵敏度。此外，光子晶体光纤内嵌式干涉仪两端与两根单模光纤未熔接的光准直方式，可以使得VOCs分子易于排出，便于重复测量。
2.光子晶体光纤内嵌式干涉仪具有光子晶体光纤对温度变化不敏感的特性，使得测量过程不受外界温度的影响，避免了温度对测量造成影响，提高测量精度。
3.整个传感测量装置具有结构紧凑，可长期重复测量，便于微量监测，灵敏度高，可以很好的实现不同种类挥发性有机物的检测。
附图说明
图1为本实用新型的结构图；
图2为本实用新型传感部位的细节图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步描述。
如图1所示，一种基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪实现挥发性有机物传感器，主要包括宽带光源1、两根单模光纤2、光子晶体光纤内嵌式干涉仪3、套筒4、光谱仪5。
将光子晶体光纤内嵌式干涉仪3完全置于套筒4内，将两根单模光纤2分别从套筒4两侧插入套筒4内，与光子晶体光纤内嵌式干涉仪3的端面接近但不发生接触，实现未熔接的光准直，两根单模光纤2的另一端分别与宽带光源1的输出端和光谱仪5的输入端口光纤连接。
利用该传感装置实现挥发性有机物传感测量的方法包括以下步 骤：
步骤(1)选择一个输出波长为1500nm至1600nm的宽带光源，两根单模光纤和一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱仪，并利用二氧化碳激光器在光子晶体光纤上刻写两个完全相同的长周期光栅，两个长周期光栅的透光率均为3dB，中心波长一致，栅格中心间距为1～4cm，制成一个光子晶体光纤内嵌式干涉仪；
步骤(2)将制成的光子晶体光纤内嵌式干涉仪完全置于一个内径为126～127μm套筒内，套筒两端比光子晶体光纤内嵌式干涉仪长2～4cm，长出的部分经预处理有镂空的网状结构，将两根单模光纤分别从套筒两侧插入套筒内，与光子晶体光纤内嵌式干涉仪的端面接近但不发生接触，由于套筒的内径仅比光纤直径大1～2μm，单模光纤与光子晶体光纤内嵌式干涉仪能够很好的实现未熔接的光准直，两根单模光纤的另一端分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端口光纤连接；
步骤(3)步骤(2)中内置好光纤的套筒置于待检测的挥发性有机物环境中，基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪上刻写有两个完全相同的透光率为3dB的长周期光栅，光在经过第一个长周期光栅作用时，纤芯中一半的光会被耦合进入光纤的包层中进行传输，经过第二个长周期光栅作用，包层内的光重新被耦合进纤芯，两束光由于传播途径不同，存在光程差，会发生干涉，输出干涉条纹，根据相干光干涉原理，干涉条纹的干涉峰满足：
λ＝[nco(C)-ncl(C)]L/k
其中nco(C)为光子晶体光纤芯模的有效折射率，ncl(C)为光子晶体光纤包层模的有效折射率，它们都与光子晶体光纤包层空气孔内挥发性有机物浓度C有函数关系，L为光子晶体光纤内嵌式干涉仪上两个光 栅的栅格中心间距，k为干涉级次，当挥发性有机物经由套筒的镂空结构处扩散进入套筒内，并进一步扩散进入光子晶体光纤的包层空气孔，会改变包层模和芯模的有效折射率，干涉光谱会发生漂移，漂移量Δλdip与挥发性有机物浓度C的关系满足：
Δλdip＝K·ΔC
其中K为常数，可以由干涉光谱计算出来，因此，可以根据干涉条纹的漂移量来确定挥发性有机物的浓度。
在本实例中所使用的光子晶体光纤内嵌式干涉仪，两个长周期光栅的透光率为3dB，栅格中心的间距约为20mm，周期均为160μm。选取包层空气孔折射率n＝1时谐振波长为1543.87nm的干涉峰做为测量波长，记录对应不同体积分数的甲醇试剂时，该级次干涉峰所对应的谐振波长，其结果如表一。
表一空气中甲醇体积分数与某特定干涉峰波长的变化关系
空气中甲醇的体积分数从0％(即空气孔中无甲醇分子)到5％范围内，PCF-LPG的谐振波长从1543.75nm变化为1576.81nm，变化量约为33nm，变化范围很大，易于读取。从表中数据可以看出，空气中甲醇的含量与所选取的干涉峰的谐振波长近似呈线性关系。选取从0％(即空气孔中无甲醇分子)到1％的范围观察，即空气中甲醇的体积分数变化1％，该级次干涉峰的谐振波长漂移量偏移量Δλ≈5.8nm，光谱仪的分辨率为10pm，由此可得，本实用新型所述传感器的测量精度为1.8×10-5，即空气中甲醇的体积分数变化超过0.0018％时，均可由本传感器测得，说明本传感器具有很高的灵敏度。
本实用新型能够实现挥发性有机物传感测量并且具有较高灵敏 度、可重复检测的关键技术为：
1.通过选择合适的栅格中心间距，在光子晶体光纤上刻写两个完全相同的透光率为3dB的长周期光栅制成内嵌式干涉仪，使得输出光为以长周期光纤光栅透射谱为包络的干涉光谱，干涉条纹对相位变化非常敏感，并且VOCs经过挥发并扩散进入光子晶体光纤包层的空气孔后，对光子晶体光纤的芯模和包层模的有效折射率的作用更为直接，进一步增加测量灵敏度，因此本实用新型设计的传感器具有更高的灵敏度。此外，光子晶体光纤内嵌式干涉仪两端与两根单模光纤未熔接的光准直方式，可以使得VOCs分子易于排出，便于重复测量。
2.光子晶体光纤内嵌式干涉仪具有光子晶体光纤对温度变化不敏感的特性，使得测量过程不受外界温度的影响，避免了温度对测量造成影响，提高测量精度。
本实施例中的单模光纤是普通的SMF-28单模光纤；光子晶体光纤内嵌式干涉仪的包层直径为125μm，纤芯直径为7μm，包层空气孔直径为3.06μm，孔间距为5.61μm，刻写的两个相同的长周期光栅的透光率为3dB，栅格中心的间距约为20mm，周期均为160μm。
Claims (1)
1.一种基于光子晶体光纤内嵌式干涉仪的挥发性有机物传感器，包括宽带光源、单模光纤、光子晶体光纤内嵌式干涉仪、套筒和光谱仪，其特征在于：
光子晶体光纤内嵌式干涉仪完全置于套筒内，将两根单模光纤分别从套筒两侧插入套筒内，与光子晶体光纤内嵌式干涉仪的端面接近但不发生接触，实现未熔接的光准直，两根单模光纤的另一端分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端口光纤连接；套筒内径为126～127μm，套筒两端比光子晶体光纤内嵌式干涉仪长2～4cm，长出的部分经预处理有镂空的网状结构。
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|---|---|---|---|---|
| CN104297208A (zh) * | 2014-10-21 | 2015-01-21 | 天津理工大学 | 基于光子晶体光纤的干涉型光纤传感器 |
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