[發(fā)明專利]基于光子晶體光纖長周期光柵的揮發(fā)性有機(jī)物傳感方法及裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210430611.0
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN102914516A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙春柳;姬崇軻;齊亮;牛犖;康娟;金永興
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量學(xué)院
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/01
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于光子晶體光纖長周期光柵(Photonic?crystal?fiber-Long?period?grating，PCF-LPG)的揮發(fā)性有機(jī)物傳感方法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。

背景技術(shù)

揮發(fā)性有機(jī)物(volatile?organic?compounds，VOCs)是最常見的一類空氣污染物，通常指的是沸點(diǎn)在50～250℃，在常溫常壓下可以形成蒸氣的有機(jī)物，主要包括苯系物、有機(jī)氯化物、氟利昂系列、有機(jī)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(yán)重破壞環(huán)境和人體健康。因此，發(fā)展靈敏、快速、準(zhǔn)確測定空氣中VOCs含量的方法是非常必要的。

在現(xiàn)有的檢測方法中，由于光纖的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，例如體積小，損耗低，適于遠(yuǎn)程檢測等，基于光纖的揮發(fā)性有機(jī)物檢測越來越受到人們的重視。基于光纖的揮發(fā)性有機(jī)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(jìn)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(yīng)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(yīng)用范圍。基于光纖光柵的揮發(fā)性有機(jī)物檢測也有所報(bào)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長周期光柵的揮發(fā)性有機(jī)物傳感方法，同時(shí)提供了實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。這種傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，可長期重復(fù)測量，便于微量監(jiān)測，靈敏度高，同時(shí)具有光子晶體光纖抗溫度干擾的特性，可以很好的實(shí)現(xiàn)不同種類揮發(fā)性有機(jī)物的檢測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的就是解決現(xiàn)有揮發(fā)性有機(jī)物傳感技術(shù)中存在的檢測成本高，難于實(shí)現(xiàn)長期重復(fù)測量和微量檢測的問題，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、可長期重復(fù)測量、靈敏度高的基于光子晶體光纖長周期光柵的揮發(fā)性有機(jī)物傳感方法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。

本發(fā)明的方法包括以下步驟：

步驟(1)選擇一個(gè)輸出波長為1500nm至1600nm的寬帶光源，兩根單模光纖和一個(gè)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一個(gè)長周期光柵，制成光子晶體光纖長周期光柵；

步驟(2)將制成的光子晶體光纖長周期光柵完全置于一個(gè)內(nèi)徑為126～127μm套筒內(nèi)，套筒兩端比光子晶體光纖長周期光柵長2～4cm，長出的部分經(jīng)預(yù)處理有鏤空的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將兩根單模光纖分別從套筒兩側(cè)插入套筒內(nèi)，與光子晶體光纖長周期光柵的端面接近但不發(fā)生接觸，由于套筒的內(nèi)徑僅比光纖直徑大1～2μm，單模光纖與光子晶體光纖長周期光柵能夠很好的實(shí)現(xiàn)未熔接的光準(zhǔn)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)將步驟(2)中內(nèi)置好光纖的套筒置于待檢測的揮發(fā)性有機(jī)物環(huán)境中。基于光子晶體光纖上刻寫有長周期光柵，光在光子晶體光纖中傳播并經(jīng)長周期光柵作用，出射光會有諧振峰，諧振波長與光子晶體光纖包層模和纖芯模的有效折射率有關(guān)：

λ＝[n_co(C)-n_c/(C)]Λ

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(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物濃度C有函數(shù)關(guān)系，Λ為長周期光柵的柵格周期。因此，當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)由套筒的鏤空結(jié)構(gòu)處擴(kuò)散進(jìn)入套筒內(nèi)，并進(jìn)一步擴(kuò)散進(jìn)入光子晶體光纖的包層空氣孔，會改變包層模和纖芯模的有效折射率，從而觀測到諧振波長的變化，通過監(jiān)測諧振波長的移動可以實(shí)現(xiàn)對濃度的檢測。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置包括一個(gè)寬帶光源、兩根單模光纖、一段光子晶體光纖長周期光柵、一個(gè)套筒和一個(gè)光譜儀。將光子晶體光纖長周期光柵完全置于套筒內(nèi)，將兩根單模光纖分別從套筒兩側(cè)插入套筒內(nèi)，與光子晶體光纖長周期光柵的端面接近但不發(fā)生接觸，實(shí)現(xiàn)未熔接的光準(zhǔn)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。

所述的套筒內(nèi)徑為126～127μm，套筒兩端比光子晶體光纖長周期光柵長2～4cm，長出的部分經(jīng)預(yù)處理有鏤空的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所具有的有益效果為：