[發明專利]基于光子晶體光纖內嵌式干涉儀的揮發性有機物傳感方法及裝置

無效

• 申請號: 201210430590.2
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN102967584A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 趙春柳;姬崇軻;王雪萍;袁劍英;康娟;倪凱;金永興
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及基于光子晶體光纖內嵌式干涉儀(Long?period?grating?in?photonic?crystal?fiber，PCF-LPG)的揮發性有機物傳感方法及裝置。

背景技術

揮發性有機物(volatile?organic?compounds，VOCs)是最常見的一類空氣污染物，通常指的是沸點在50～250℃，在常溫常壓下可以形成蒸氣的有機物，主要包括苯系物、有機氯化物、氟利昂系列、有機酮類、醇類、胺、醚以及酯類等。VOCs具有毒性、刺激性以及致癌性，會嚴重破壞環境和人體健康。因此，發展靈敏、快速、準確測定空氣中VOCs含量的方法是非常必要的。

在現有的檢測方法中，由于光纖的獨特優點，例如體積小，損耗低，適于遠程檢測等，基于光纖的揮發性有機物檢測越來越受到人們的重視。基于光纖的揮發性有機物檢測方法種類很多，最常見的是基于光譜分析的方法，對待測氣體的特征吸收譜線進行檢測分析得到待測氣體濃度。這種檢測方法靈敏度高，響應快，但是常需要特殊的光源來匹配不同種類待測氣體的吸收譜范圍，因此成本高，限制了其應用范圍。基于光纖光柵的揮發性有機物檢測也有所報道，待測氣體作用于光纖光柵外部，通過影響光纖光柵的纖芯、包層有效折射率引起諧振波長的漂移。但是光柵的刻寫會對光纖造成損害，難以長期使用。

針對上述問題，我們提出了基于光子晶體光纖內嵌式干涉儀的揮發性有機物傳感方法，同時提供了實現該方法的裝置。這種傳感器結構緊湊，可長期重復測量，便于微量監測，靈敏度高，同時具有光子晶體光纖抗溫度干擾的特性，可以很好的實現不同種類揮發性有機物的檢測。

發明內容

本發明目的就是解決現有揮發性有機物傳感技術中存在的檢測成本高，難于實現長期重復測量和微量檢測的問題，提供了一種結構緊湊、可長期重復測量、靈敏度高的基于光子晶體光纖內嵌式干涉儀的揮發性有機物傳感方法，以及實現該方法的裝置。

本發明的方法包括以下步驟：

步驟(1)選擇一個輸出波長為1500nm至1600nm的寬帶光源，兩根單模光纖和一個工作波長覆蓋1500nm至1600nm的光譜儀，并利用二氧化碳激光器在光子晶體光纖上刻寫兩個完全相同的長周期光柵，兩個長周期光柵的透光率均為3dB，中心波長一致，柵格中心間距為1～4cm，制成一個光子晶體光纖內嵌式干涉儀；

步驟(2)將制成的光子晶體光纖內嵌式干涉儀完全置于一個內徑為126～127μm套筒內，套筒兩端比光子晶體光纖內嵌式干涉儀長2～4cm，長出的部分經預處理有鏤空的網狀結構，將兩根單模光纖分別從套筒兩側插入套筒內，與光子晶體光纖內嵌式干涉儀的端面接近但不發生接觸，由于套筒的內徑僅比光纖直徑大1～2μm，單模光纖與光子晶體光纖內嵌式干涉儀能夠很好的實現未熔接的光準直，兩根單模光纖的另一端分別與寬帶光源的輸出端和光譜儀的輸入端口光纖連接；

步驟(3)步驟(2)中內置好光纖的套筒置于待檢測的揮發性有機物環境中，基于光子晶體光纖內嵌式干涉儀上刻寫有兩個完全相同的透光率為3dB的長周期光柵，光在經過第一個長周期光柵作用時，纖芯中一半的光會被耦合進入光纖的包層中進行傳輸，經過第二個長周期光柵作用，包層內的光重新被耦合進纖芯，兩束光由于傳播途徑不同，存在光程差，會發生干涉，輸出干涉條紋，根據相干光干涉原理，干涉條紋的干涉峰滿足：

λ＝[n_co(C)-n_cl(C)]L/k

其中n_co(C)為光子晶體光纖芯模的有效折射率，n_cl(C)為光子晶體光纖包層模的有效折射率，它們都與光子晶體光纖包層空氣孔內揮發性有機物濃度C有函數關系，L為光子晶體光纖內嵌式干涉儀上兩個光柵的柵格中心間距，k為干涉級次，當揮發性有機物經由套筒的鏤空結構處擴散進入套筒內，并進一步擴散進入光子晶體光纖的包層空氣孔，會改變包層模和芯模的有效折射率，干涉光譜會發生漂移，漂移量Δλ_dip與揮發性有機物濃度C的關系滿足：

Δλ_dip＝K·ΔC

其中K為常數，可以由干涉光譜計算出來，因此，可以根據干涉條紋的漂移量來確定揮發性有機物的濃度。