[發明專利]一種基于微納光纖長周期光柵的有機污染物在線監測裝置及方法

在審

• 申請號: 202010189521.1
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111272772A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 周國瑞;蔣一嵐;劉青安;張傳超;苗心向;王海軍;呂海兵;牛龍飛;劉昊
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: G01N21/94
• 分類號: G01N21/94
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11369
• 代理人: 賈曉燕

本發明公開了一種基于微納光纖長周期光柵的有機污染物在線監測裝置及方法，包括：用于發出光源的超連續譜光源，其出射光的光路上依次連接有傳感單元和光纖光譜儀，所述超連續譜光源上連接有控制電腦；其中，所述傳感單元包括微納光纖長周期光柵和包裹在微納光纖長周期光柵表面的用于吸附有機污染物的溶膠?凝膠膜層。利用光在傳感單元中傳輸，會形成調制，形成波谷，當鍍有溶膠?凝膠敏感膜層的微納光纖長周期光柵吸附有機污染物后，其表面折射率發生改變，同時影響表面倏逝波的傳輸特性，導致諧振波長發生變化，最后利用光纖光譜儀對這種偏移進行監測并反推空間中有機污染物濃度的變化，最終實現對有機污染物濃度的在線監測。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，具體涉及一種基于微納光纖長周期光柵的有機污染物在線監測裝置及方法。

背景技術

隨著科研領域對極端環境的需求，高功率激光在越來越多的領域應用，例如激光加工、聚變能源等。在激光器設計或者建造過程中，必須大量使用潤滑脂、密封圈、潤滑脂、密封圈等高分子材料。在激光器運行過程中，一方面這些密封材料在真空環境或者普通環境中慢慢揮發，另一方面在激光雜散光的作用下加劇高分子材料的揮發。揮發后的高分子材料在光學元件表面沉積，在激光作用下附著在光學元件表面的有機污染物吸收激光能量激發等離子體，而等離子體進一步吸收激光能量，產生沖擊波和熱效應對光學元件造成損傷，嚴重影響激光裝置的負載能力和穩定性。因此污染物的在線監測對高功率激光的運行穩定性及經濟性具有非常重要的意義。

因此，利弗莫爾實驗室建立了“潔凈控制協議(Cleaning Control Protocol,CCP)”,對核心光學元件、光機元件、機械元件及周圍環境進行了嚴格規定，以保證激光裝置在安裝、維護及運行過程中盡可能少地產生污染物。盡管在激光器建造過程中對機械元件、光學元件進行潔凈處理，但在激光器運行過程中還是不可避免產生有機污染物，根據實驗結果表明在激光器運行過程中產生的污染物濃度在微克到毫克量級，屬于微量污染物。

目前主要有機污染物的在線測量方法有以下幾種方式：

(1)光散射法。主要通過抽氣法，利用光散射法將待測氣氛中的顆粒進行統計，該方法容易受環境等其它方面的影響且復雜的結構容易引入二次污染，并且不適合在真空環境中使用。

(2)半導體金屬氧化物法。當污染物吸附在半導體表面導致其電導率發生變化，通過測量輸出信號的電導率反推污染物濃度。該方法大量應用于工業領域，具有結構緊湊、成本低、適合大批量生產等優點，但目前為止未見在高功率激光裝置潔凈監測方面的應用。

(3)聲表面波法。當污染物吸附在傳感單元表面，改變原有諧振頻率，通過諧振頻率實現對污染物的監測。該方法的表面積大(幾個平方毫米)且對光刻技術要求高，限制其發展。

(4)石英晶體微平衡法。該方法由于是體諧振式傳感，其諧振頻率最高為20MHz，受限于諧振頻率，理論探測極限為納克量級；

以上方法均不適用于高功率固體激光裝置中，所以研制出具備高靈敏度、準分布測量、易擴展、實時在線以及可重復使用的分子態污染物在線監測傳感器成為當務之急。

發明內容

本發明的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優點。

為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種基于微納光纖長周期光柵的有機污染物在線監測裝置，包括：

用于發出光源的超連續譜光源，其出射光的光路上依次連接有傳感單元和光纖光譜儀，所述超連續譜光源上連接有控制電腦；

其中，所述傳感單元包括微納光纖長周期光柵和包裹在微納光纖長周期光柵表面的用于吸附有機污染物的溶膠-凝膠膜層，所述微納光纖長周期光柵的輸入端連接超連續譜光源，其輸出端連接光纖光譜儀。

優選的是，所述微納光纖長周期光柵的直徑約為12um。