[發明專利]光纖微氣腔光聲池及制備方法和溶解氣體檢測方法

在審

• 申請號: 201911210897.X
• 申請日: 2019-12-02
• 公開（公告）號: CN111007015A
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 馬軍;何陽;關柏鷗
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/31;G01N21/03
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔣劍明

本發明公開了一種光纖微氣腔光聲池及制備方法和溶解氣體檢測方法，光纖微氣腔光聲池包括光纖微結構以及位于微結構端面的微氣腔，光纖微結構通過在單模光纖一端熔接一段毛細管形成，單模光纖端面鍍有金膜；單模光纖另一端通入激光加熱金膜，汽化周圍液體，形成光纖微氣腔光聲池。液體中的溶解氣體在溶度梯度驅動下擴散進入光聲池內，吸收經單模光纖注入光聲池的泵浦光，產生光聲信號并引起微氣腔氣?液界面形變；該形變由光纖注入的另一束檢測光檢測，并結合氣體吸收系數還原出待測溶解氣體濃度。本發明中的光纖微氣腔光聲池制備簡單、成本低、體積小，可用于原位、快速的溶解氣體檢測。

技術領域

本發明涉及痕量氣體檢測技術領域，具體涉及一種光纖微氣腔光聲池及制備方法和溶解氣體檢測方法。

背景技術

痕量氣體檢測在工業生產、能源開發、生態環境等方面發揮著重要作用。光聲光譜技術結合吸收光譜技術與聲測量技術，在氣體檢測方面具有選擇性好、靈敏度高、動態范圍大、系統結構緊湊等優點，受到研究領域的廣泛關注。光聲池作為光聲氣體檢測系統的核心器件，是待測氣體吸收激光產生光聲信號的場所，關系到系統氣體檢測的精度與響應速度。對于溶解氣體檢測，由于液體在近紅外波段的吸收強，入射到液體中的激光會迅速衰減，極大降低氣體檢測精度。因此，目前主要采取頂空提取與聚合物膜滲透法對溶解氣體進行液氣分離。頂空提取方法需要使用載氣輔助將待測氣體導入光聲池中，增加系統的復雜度與體積的同時，將氣體傳輸至光聲池的過程會消耗部分時間，降低系統檢測速度；聚合物滲透膜雖使用方便、結構緊湊，但自身存在一定厚度，增加溶解氣體擴散進入光聲池的時間。此外，滲透膜性能易受溫度、壓強、生物附著物等因素影響，需要定期更換，增加使用成本。為滿足實際應用對原位、快速的溶解氣體檢測需求，需要設計性能優越、結構緊湊的新型光聲池。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，提供一種光纖微氣腔光聲池及制備方法和溶解氣體檢測方法，該光聲池通過光學加熱汽化液體，在光纖-毛細管端面產生微氣腔，利用微氣腔氣-液界面從液體中分離出待測溶解氣體，結合光聲光譜技術，實現原位、快響應的溶解氣體檢測。

根據公開的實施例，本發明首先公開了一種光纖微氣腔光聲池，所述光聲池包括傳輸光纖、石英毛細管和微氣腔，所述傳輸光纖與石英毛細管熔接形成光纖-毛細管微結構，所述光纖-毛細管微結構的端面鍍有光吸收材料，所述傳輸光纖與石英毛細管浸入液體中，所述微氣腔位于石英毛細管內，所述微氣腔構成法布里-珀羅腔；所述傳輸光纖的端面與液體的界面以及所述微氣腔與液體的界面分別為法布里-珀羅腔的兩個反射面；

所述微氣腔在濃度梯度作用下分離液體中的溶解氣體，起到滲透膜的作用；同時為氣體吸收泵浦光產生光聲信號提供場所；所述微氣腔構成的法布里-珀羅腔，通過光學干涉方法檢測微氣腔的氣-液界面形變，拾取光聲信號。

進一步地，所述傳輸光纖與石英毛細管以激光加熱方式熔接形成光纖-毛細管微結構，其中，加熱光的光源為連續或脈沖調制光，波長范圍包括可見到紅外光波段；所述微氣腔通過加熱汽化液體形成。

進一步地，所述傳輸光纖為單模光纖或多模光纖；所述石英毛細管的外徑50-250μm，孔徑為5-100μm，長度為10-200μm。

進一步地，所述光吸收材料為石墨烯、碳納米管、金薄膜、銀薄膜和納米顆粒中一種，所述光吸收材料根據材料特性不同通過蒸鍍、濺射或者端面涂覆方法與傳輸光纖的端面結合。

進一步地，所述液體采用水溶液，油或者生物組織液。

進一步地，所述微氣腔的長度范圍為10-200μm，通過控制石英毛細管的長度與加熱光光源的功率、時間進行調節。

根據公開的實施例，本發明還公開了一種光纖微氣腔光聲池的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

通過光纖切割刀在傳輸光纖一端制作光滑平整的端面；