CN207036689U - 基于单模‑多模‑无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单模‑多模‑无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，包括：单模光纤；多模光纤，其与单模光纤的熔接；表面包覆二氧化硅薄膜的无芯光纤，其一端与多模光纤的输入端偏心熔接；无芯光纤与多模光纤偏心熔接后的不重叠位置处包覆第一金属膜层，其另一端面附着第二金属膜层。将在线监测传感器置于被监测环境中，当分子态有机污染物浓度发生变化，会导致表面薄膜折射率发生变化，从而引起整个波导结构有效折射率发生变化导致谐振条件发生变化，使马赫‑泽德混合干涉中一干涉臂光程发生变化导致整个波导干涉条件发生变化，最后光谱仪监测输出信号波长，通过对输出信号进行处理即可反推外部环境分子态有机污染物浓度。

Description

基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传 感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物在线监测传感器。

背景技术

随着现代技术的迅猛发展，对实验和生产的环境要求越来越高。分子态污染物对半导体生产、医疗、航天领域特别是高功率激光装置等具有相当非常大的影响。一方面分子态有机污染物严重影响半导体成品率；另一方面分子态有机污染物在强激光作用下产生聚集，导致光学元件表面损伤阈值的降低，从而影响整个装置的负载能力。因此对光学元件的制造、清洗、安装以及材料进行了严格的规定，以保证激光装置在安装、运行过程中尽可能减少分子态有机污染物。选材、清洗、安装及运行过程中洁净控制是远远不够的，主要由于高功率激光装置为巨大而复杂的真空系统，需要大量的粘合剂、润滑剂、高分子材料、垫圈等等。在低真空情况下，这些材料会产生可挥发的分子态有机污染物，在强光照射下会加剧这些挥发，这些污染物一方面沉积在光学元件表面形成薄膜，影响光束质量，一另方面吸收光能量产生微爆炸，导致光学元件阈值下降。为保证高功率激光系统的持续稳定工作，必须对激光装置中分子态有机污染物进行在线监测。目前有机污染物的测量方法主要有以下几种方式：(1)气相色谱-质谱联用法。该方法需要用准确度极高，但需要先用洁净采气罐对被测量环境进行气体采集，并需要专业人员利用气相色谱-质谱联用仪进行测量，该种方法费时、费力，分析时间较长，同时无法实现在线监测及真空环境监测需求。(2)石英晶体微平衡法。该方法是一种谐振式测量仪器，配合敏感材料可以进行微质量的测量，成本低廉。但由于该方法是体谐振式传感，受限于谐振频率，其精度为纳克量级，同时该方法实现分布式传感较为困难。(3)声表面波法。该方法谐振频率为百MHz量级，可以得到比石英晶体微平衡法更高的精度，该方法的表面积较大(几个平方毫米)且对光刻技术要求高。与其他检测方法相比，该种检测方法具有避免二次污染，可在线监测、灵敏度较高、易于扩展、便于集成且与普通光纤易于连接等优点，特别适合在传感领域应用。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物在线监测传感器，包括：

单模光纤，其用于光信号的输入和输出；

多模光纤，其输入端与所述单模光纤的输出端无偏心熔接；

无芯光纤，其一端与所述多模光纤的输出端偏心熔接；所述无芯光纤的表面附着溶胶-凝胶二氧化硅膜层；

其中，所述无芯光纤与多模光纤偏心熔接后的不重叠位置处附着第一金属膜层以反射多模光纤中的光信号；所述无芯光纤的另一端附着第二金属膜层以反射无芯光纤中的光信号。

优选的是，所述单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm。

优选的是，所述多模光纤的长度为3～10mm、直径为125μm、芯径为50～125μm。

优选的是，所述无芯光纤的长度为3～10mm、直径为20～100μm。

优选的是，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层为铽镝铁溶胶-凝胶二氧化硅膜层。

优选的是，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层的厚度为1～10μm。

优选的是，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用提拉镀膜法附着在无芯光纤的表面。

优选的是，所述单模光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接；所述无芯光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行偏心熔接。

优选的是，所述第一金属膜层的厚度大于50nm，其采用真空溅射方法附着在多模光纤与无芯光纤不重叠的端面上；所述第二金属膜层的厚度大于50nm，其采用真空溅射方法附着在无芯光纤的另一个端面上。

优选的是，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用静电纺丝法包覆在无芯光纤的表面。

本实用新型至少包括以下有益效果：本实用新型的分子态有机污染物在线监测传感器，当超辐射发光二极管发出的光在单模光纤中传输，并进入多模光纤中传输，在多模光纤的端面，光信号被分为两部分，第一部分在端面处被第一金属膜层反射，第二部分进入无芯光纤中传输，并在无芯光纤的末端被第二金属膜层反射，反射光进入多模光纤中与无芯光纤中的反射光进行干涉，干涉光通过单模光纤输出；当被监测环境中的分子态有机污染物导致无芯光纤表面的溶胶-凝胶二氧化硅膜层折射率发生变化，进而影响干涉光的谐振波长位移，通过波长偏移量反推分子态有机污染物浓度。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本实用新型基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物在线监测传感器的结构示意图。

图2示出了本发明的传感器结构对污染物的响应光谱图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了本实用新型的一种基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物在线监测传感器，包括：单模光纤1，其用于光信号的输入和输出；多模光纤2，其输入端与所述单模光纤1的输出端无偏心熔接；无芯光纤3，其一端与所述多模光纤2的输出端偏心熔接；所述无芯光纤3的表面附着溶胶-凝胶二氧化硅膜层4；

其中，所述无芯光纤3与多模光纤2偏心熔接后的不重叠位置处附着第一金属膜层5以反射多模光纤中的光信号；所述无芯光纤3的另一端附着第二金属膜层6以反射无芯光纤中的光信号。

其中，所述单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm，所述多模光纤的长度为3～10mm、直径为125μm、芯径为50～125μm，所述无芯光纤的长度为3～10mm、直径为20～100μm。

在这种技术方案中，当超辐射发光二极管发出的光在单模光纤中传输，并进入多模光纤中传输，在多模光纤的末端，光信号被分为两部分，第一部分在端面处被第一金属膜层反射，第二部分进入无芯光纤中传输，并在无芯光纤的末端被第二金属膜层反射，反射光进入多模光纤中与多模光纤中的反射光进行干涉，干涉光通过单模光纤输出；当将附着有溶胶-凝胶二氧化硅膜层的分子态有机污染物在线监测传感器置于被监测环境中，分子态有机污染物浓度会导致有无芯光纤折射率发生变化，使马赫-泽德混合干涉中一干涉臂光程发生变化导致整个波导干涉条件发生变化，最后信号并被光谱仪接收，通过对接收信号进行处理即可反推外部环境分子态有机污染物浓度。

在上述技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层的厚度为1～10μm，所述敏感膜层为溶胶-凝胶二氧化硅膜层；采用这种材料层，可使有机污染物在无芯光纤表面产生富集，影响波导结构的折射率。

在上述技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用提拉法附着在无芯光纤的表面。采用这种方式，溶胶-凝胶二氧化硅膜层能够牢固的连接在多模光纤的表面，并且能够提高分子态有机污染物在线监测精度。

在上述技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层为空心球二氧化硅膜层；所述提拉镀膜法的过程为：配制浓度为3～5wt％的空心球二氧化硅胶体，将拉制小芯单模光纤固定在提拉镀膜机的支架上，在提拉速度为300～500mm/min下，对拉制小芯单模光纤的表面进行提拉镀膜；所述空心球二氧化硅胶体的制备方法为：按重量份，取0.1～0.5份聚丙烯酸溶解在5～10份的氨水溶液中，然后加入到150～200份乙醇中，然后在3～5小时内将1～3份正硅酸乙酯加入，继续搅拌3～5小时，静置1～3天，得到空心球二氧化硅胶体。

在上述技术方案中，所述单模光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接；所述无芯光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行偏心熔接。采用这种方式，能够将光信号分为两部分进行传输，提高了分子态有机污染物在线监测精度。

在上述技术方案中，所述第一金属膜层的厚度大于50nm，其采用真空溅射方法附着在多模光纤与无芯光纤不重叠的端面上；所述第二金属膜层的厚度大于50nm，其采用真空溅射方法附着在无芯光纤的另一个端面上，采用这种附着方式，使金属膜层能够牢固的连接，并准确的对光信号进行反射，提高了分子态有机污染物在线监测精度。

在另一种技术方案中，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用静电纺丝法附着在无芯光纤的表面；所述静电纺丝的过程为：将浓度为0.5～5wt％的二氧化硅胶体注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的二氧化硅胶体通过不锈钢喷头喷射至旋转的无芯光纤接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为40～60℃、高压电源的输出电压为15～25kv、无芯光纤与不锈钢喷头之间距离为15～20cm、流速为10～20mL/h、无芯光纤接收装置的旋转速度为50～150r/min。

采用本实用新型的静电纺丝方法使二氧化硅溶胶以微纳纤维的形式附着在无芯光纤表面，二氧化硅纤维膜层的比表面积大，对有机污染物的吸附效果更好，使有机污染物的检测效果更优。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，包括：

单模光纤，其用于光信号的输入和输出；

多模光纤，其输入端与所述单模光纤的输出端无偏心熔接；

无芯光纤，其一端与所述多模光纤的输出端偏心熔接；所述无芯光纤的表面附着溶胶-凝胶二氧化硅薄膜；

其中，所述无芯光纤与多模光纤偏心熔接后的不重叠位置处附着第一金属膜层以反射多模光纤中的光信号；所述无芯光纤的另一端附着第二金属膜层以反射无芯光纤中的光信号。

2.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm。

3.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述多模光纤的长度为3～10mm、直径为125μm、芯径为50～125μm。

4.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述无芯光纤的长度为3～10mm、直径为20～100μm。

5.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层的厚度为1～10μm。

6.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用提拉镀膜方法将膜层包覆在无芯光纤表面。

7.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述单模光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接；所述无芯光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行偏心熔接。

8.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述第一金属膜层的厚度大于50nm，其采用真空溅射方法附着在多模光纤与无芯光纤不重叠的端面上；所述第二金属膜层的厚度大于50nm，其采用真空溅射方法附着在无芯光纤的另一个端面上。

9.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，其特征在于，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层采用静电纺丝法包覆在无芯光纤的表面。