專利名稱：基于光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀的揮發(fā)性有機物傳感方法及裝置的制作方法
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內(nèi)嵌式干涉儀(Longperiod grating in photonic crystal fiber,PCF-LPG)的揮發(fā)性有機物傳感方法及裝置。
背景技術(shù)：
揮發(fā)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°C，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(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，由于光纖的獨特優(yōu)點，例如體積小，損耗低，適于遠(yuǎn)程檢測等，基于光纖的揮發(fā)性有機物檢測越來越受到人們的重視?；诠饫w的揮發(fā)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(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?；诠饫w光柵的揮發(fā)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(nèi)嵌式干涉儀的揮發(fā)性有機物傳感方法，同時提供了實現(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，同時具有光子晶體光纖抗溫度干擾的特性，可以很好的實現(xiàn)不同種類揮發(fā)性有機物的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是解決現(xiàn)有揮發(fā)性有機物傳感技術(shù)中存在的檢測成本高，難于實現(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內(nèi)嵌式干涉儀的揮發(fā)性有機物傳感方法，以及實現(xiàn)該方法的裝置。本發(fā)明的方法包括以下步驟步驟(I)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I 4cm,制成一個光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀；步驟(2)將制成的光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀完全置于一個內(nèi)徑為126 127 μ m套筒內(nèi)，套筒兩端比光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀長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)，與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀的端面接近但不發(fā)生接觸，由于套筒的內(nèi)徑僅比光纖直徑大I 2μπι，單模光纖與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀能夠很好的實現(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)步驟(2)中內(nèi)置好光纖的套筒置于待檢測的揮發(fā)性有機物環(huán)境中，基于光子晶體光纖內(nèi)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(jīng)過第一個長周期光柵作用時，纖芯中一半的光會被耦合進(jìn)入光纖的包層中進(jìn)行傳輸，經(jīng)過第二個長周期光柵作用，包層內(nèi)的光重新被耦合進(jìn)纖芯，兩束光由于傳播途徑不同，存在光程差，會發(fā)生干涉，輸出干涉條紋，根據(jù)相干光干涉原理，干涉條紋的干涉峰滿足λ = [nco (C) -ncl (C) ] L/k其中n。。(C)為光子晶體光纖芯模的有效折射率，ncl(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)性有機物濃度C有函數(shù)關(guān)系，L為光 子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀上兩個光柵的柵格中心間距，k為干涉級次，當(dāng)揮發(fā)性有機物經(jīng)由套筒的鏤空結(jié)構(gòu)處擴散進(jìn)入套筒內(nèi)，并進(jìn)一步擴散進(jìn)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(fā)生漂移，漂移量△ λ_與揮發(fā)性有機物濃度C的關(guān)系滿足Δ λ dip = K · Δ C其中K為常數(shù)，可以由干涉光譜計算出來，因此，可以根據(jù)干涉條紋的漂移量來確定揮發(fā)性有機物的濃度。實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置包括一個寬帶光源、兩根單模光纖、一段光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀、一個套筒和一個光譜儀。將光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀完全置于套筒內(nèi)，將兩根單模光纖分別從套筒兩側(cè)插入套筒內(nèi)，與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀的端面接近但不發(fā)生接觸，實現(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。所述的光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀是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I 4cm ；所述的套筒內(nèi)徑為126 127 μ m，套筒兩端比光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀長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I.通過選擇合適的柵格中心間距，在光子晶體光纖上刻寫兩個完全相同的透光率為3dB的長周期光柵制成內(nèi)嵌式干涉儀，使得輸出光為以長周期光纖光柵透射譜為包絡(luò)的干涉光譜，干涉條紋對相位變化非常敏感，并且VOCs經(jīng)過揮發(fā)并擴散進(jìn)入光子晶體光纖包層的空氣孔后，對光子晶體光纖的芯模和包層模的有效折射率的作用更為直接，進(jìn)一步增加測量靈敏度，因此本發(fā)明設(shè)計的傳感器具有更高的靈敏度。此外，光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀兩端與兩根單模光纖未熔接的光準(zhǔn)直方式，可以使得VOCs分子易于排出，便于重復(fù)測量。2.光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀具有光子晶體光纖對溫度變化不敏感的特性，使得測量過程不受外界溫度的影響，避免了溫度對測量造成影響，提高測量精度。3.整個傳感測量裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，可長期重復(fù)測量，便于微量監(jiān)測，靈敏度高，可以很好的實現(xiàn)不同種類揮發(fā)性有機物的檢測。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明傳感部位的細(xì)節(jié)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步描述。如圖I所示，基于光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀實現(xiàn)揮發(fā)性有機物傳感的裝置，主要包括寬帶光源I、兩根單模光纖2、光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀3、套筒4、光譜儀5。將光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀3完全置于套筒4內(nèi)，將兩根單模光纖2分別從套筒4兩側(cè)插入套筒4內(nèi)，與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀3的端面接近但不發(fā)生接觸，實現(xiàn)未熔接的光準(zhǔn)直，兩根單模光纖2的另一端分別與寬帶光源I的輸出端和光譜儀5的輸入端口光纖連接。利用該傳感裝置的揮發(fā)性有機物傳感方法包括以下步驟步驟(I)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I 4cm,制成一個光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀；步驟(2)將制成的光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀完全置于一個內(nèi)徑為126 127 μ m套筒內(nèi)，套筒兩端比光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀長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)，與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀的端面接近但不發(fā)生接觸，由于套筒的內(nèi)徑僅比光纖直徑大I 2μπι，單模光纖與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀能夠很好的實現(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)步驟(2)中內(nèi)置好光纖的套筒置于待檢測的揮發(fā)性有機物環(huán)境中，基于光子晶體光纖內(nèi)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(jīng)過第一個長周期光柵作用時，纖芯中一半的光會被耦合進(jìn)入光纖的包層中進(jìn)行傳輸，經(jīng)過第二個長周期光柵作用，包層內(nèi)的光重新被耦合進(jìn)纖芯，兩束光由于傳播途徑不同，存在光程差，會發(fā)生干涉，輸出干涉條紋，根據(jù)相干光干涉原理，干涉條紋的干涉峰滿足λ = [nco (C) -ncl (C) ] L/k其中n。。(C)為光子晶體光纖芯模的有效折射率，ncl(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)性有機物濃度C有函數(shù)關(guān)系，L為光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀上兩個光柵的柵格中心間距，k為干涉級次，當(dāng)揮發(fā)性有機物經(jīng)由套筒的鏤空結(jié)構(gòu)處擴散進(jìn)入套筒內(nèi)，并進(jìn)一步擴散進(jìn)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(fā)生漂移，漂移量△ λ dip如與揮發(fā)性有機物濃度C的關(guān)系滿足Λ λ dip = K · AC其中K為常數(shù)，可以由干涉光譜計算出來，因此，可以根據(jù)干涉條紋的漂移量來確定揮發(fā)性有機物的濃度。
在本實例中所使用的光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀，兩個長周期光柵的透光率為3dB，柵格中心的間距約為20mm，周期均為160 μ m。選取包層空氣孔折射率η = I時諧振波長為1543. 87nm的干涉峰做為測量波長，記錄對應(yīng)不同體積分?jǐn)?shù)的甲醇試劑時，該級次干涉峰所對應(yīng)的諧振波長，其結(jié)果如表一。表一空氣中甲醇體積分?jǐn)?shù)與某特定干涉峰波長的變化關(guān)系
權(quán)利要求
1.基于光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀的揮發(fā)性有機物傳感方法，其特征在于該方法包括如下步驟 步驟(I)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I 4cm,制成一個光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀； 步驟(2)將制成的光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀完全置于一個內(nèi)徑為126 127μπι套筒內(nèi)，套筒兩端比光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀長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)，與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀的端面接近但不發(fā)生接觸，由于套筒的內(nèi)徑僅比光纖直徑大I 2μπι，單模光纖與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀能夠很好的實現(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)步驟(2)中內(nèi)置好光纖的套筒置于待檢測的揮發(fā)性有機物環(huán)境中，基于光 子晶體光纖內(nèi)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(jīng)過第一個長周期光柵作用時，纖芯中一半的光會被耦合進(jìn)入光纖的包層中進(jìn)行傳輸，經(jīng)過第二個長周期光柵作用，包層內(nèi)的光重新被耦合進(jìn)纖芯，兩束光由于傳播途徑不同，存在光程差，會發(fā)生干涉，輸出干涉條紋，根據(jù)相干光干涉原理，干涉條紋的干涉峰滿足 λ = [nco (C) -ncl (C) ] L/k 其中n。。(C)為光子晶體光纖芯模的有效折射率，ncl(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)性有機物濃度C有函數(shù)關(guān)系，L為光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀上兩個光柵的柵格中心間距，k為干涉級次，當(dāng)揮發(fā)性有機物經(jīng)由套筒的鏤空結(jié)構(gòu)處擴散進(jìn)入套筒內(nèi)，并進(jìn)一步擴散進(jìn)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(fā)生漂移，漂移量△ λ dip與揮發(fā)性有機物濃度C的關(guān)系滿足Δ λ dip = K · AC 其中K為常數(shù)，可以由干涉光譜計算出來，因此，可以根據(jù)干涉條紋的漂移量來確定揮發(fā)性有機物的濃度。
2.實現(xiàn)權(quán)利要求I所述方法的裝置，一個寬帶光源、兩根單模光纖、一段光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀、一個套筒和一個光譜儀，將光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀完全置于套筒內(nèi)，將兩根單模光纖分別從套筒兩側(cè)插入套筒內(nèi)，與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀的端面接近但不發(fā)生接觸，實現(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； 所述的光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀是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I 4cm ； 所述的套筒內(nèi)徑為126 127 μ m,套筒兩端比光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀長2 4cm，長出的部分經(jīng)預(yù)處理有鏤空的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀的揮發(fā)性有機物傳感方法及裝置。將光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀完全置于套筒內(nèi)，兩根單模光纖分別從套筒兩側(cè)插入套筒，與光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀的端面接近但不發(fā)生接觸，實現(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。光在光子晶體光纖內(nèi)嵌式干涉儀中傳播的時候會發(fā)生干涉，出射光為干涉光譜，干涉峰波長與光子晶體光纖包層空氣孔內(nèi)揮發(fā)性有機物的濃度有關(guān)，通過監(jiān)測干涉峰的漂移可以實現(xiàn)對濃度的檢測。本發(fā)明針對現(xiàn)有揮發(fā)性有機物傳感技術(shù)中存在的檢測成本高，難于實現(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內(nèi)嵌式干涉儀的揮發(fā)性有機物傳感方法，以及實現(xiàn)該方法的裝置。
文檔編號G01N21/45GK102967584SQ201210430590
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者趙春柳, 姬崇軻, 王雪萍, 袁劍英, 康娟, 倪凱, 金永興 申請人:中國計量學(xué)院