基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及有機物檢測領域，尤其涉及一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置。本實用新型的目的在于：提供一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置，實現通過讓空氣中的揮發(fā)性有機物與光纖倏逝場直接作用的方式對空氣中的揮發(fā)性有機物進行檢測。本實用新型通過在光纖上設置一拉錐區(qū)，并在該拉錐區(qū)設置一長周期光纖光柵作為待測氣體敏感部，大大增強了該敏感部的倏逝場強度，從而實現了通過光纖倏逝場與待測氣體直接相互作用來檢測待測氣體中揮發(fā)性有機物濃度的目的。
【專利說明】基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及有機物檢測領域，尤其涉及一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置。
【背景技術】
[0002]目前大氣污染日益嚴重，其中揮發(fā)性有機物(VOCs)是一類重要的大氣污染物，具有毒性，刺激性，以及致癌性，不僅會造成環(huán)境污染，也會嚴重損害人體健康。揮發(fā)性有機物主要包括苯系物、有機氯化物、有機酮、醇、胺、醚等，其中苯系物已經被確定為致癌物質。1984年，揮發(fā)性有機物就被世界衛(wèi)生組織列出，并引起廣泛的關注。近兩年來我國北方地區(qū)的灰霾天氣越來越嚴重，國家也越來越重視空氣中的揮發(fā)性有機物污染問題，并出臺了相關法律法規(guī)，嚴格控制揮發(fā)性有機物排放，防治環(huán)境污染，保障生態(tài)安全和人體健康。由于揮發(fā)性有機物對人體健康的影響與其濃度有直接關系，在許多領域，如化工產業(yè)、環(huán)境保護、醫(yī)藥、食品安全等，建立靈敏快速、簡單可靠的方法檢測揮發(fā)性有機物濃度非常必要，對環(huán)境保護和安全生產具有重要意義。
[0003]氣相色譜和質譜分析可以測定有機物濃度，結果可靠準確，但存在著操作繁瑣、耗時長、價格昂貴等問題，僅適宜實驗室使用，不適合作業(yè)現場的實時連續(xù)檢測。目前，市場上出現的商業(yè)便攜式揮發(fā)性有機物探測器基本都是依據光離子化檢測原理，此原理可以檢測極低濃度的揮發(fā)性有機物，但是紫外燈發(fā)出的能量決定了它所能測定的物質種類是有限的，微弱信號檢測電路的設計是硬件電路設計中的一大難點，同時價格也比較昂貴。
[0004]揮發(fā)性有機物光纖傳感器具有許多優(yōu)異的新穎特性，如體積小，重量輕，低損耗，遠距離傳感，分布傳感，多路傳感，免電磁干擾，在線監(jiān)測、環(huán)保耐用等，有望克服上述揮發(fā)性有機物氣體傳感器的缺點和不足，近年來引起人們越來越多的廣泛研究和關注。根據光與氣體的相互作用可以把揮發(fā)性有機物光纖傳感分成兩類:一類是纖芯模場傳感，另一類是倏逝場傳感。對于纖芯模場傳感，通常是采用標準通信單模光纖(SMF)，將光纖端面切平并鍍上化學敏感膜，通過敏感膜的折射率改變來獲得不同的反射信號實現氣體傳感，但這種方式的傳感區(qū)域是尺寸很小的纖芯，靈敏度受到限制。
[0005]而長周期光纖光柵(LPFG)的周期一般為幾十或幾百微米，具有制作工藝簡單，體積小，插入損耗低，無后向反射等特點，在光通信和光纖傳感領域受到人們的重視和研究，特別在傳感領域。LPFG是同向傳輸的纖芯基模和各階包層模之間的耦合。包層模對外界環(huán)境的折射率變化敏感，不同的氣體和濃度會導致包層折射率和光柵周期的改變，從而引起LPFG的諧振波長和幅值的改變來實現氣體傳感。但傳統(tǒng)單模光纖LPFG的揮發(fā)性有機物傳感器是通過在光纖的包層外鍍聚合物敏感薄膜材料吸附揮發(fā)性有機物目標物來實現的，鍍膜這種方式依賴于薄膜對氣體分子的吸收，只能對單一的特定揮發(fā)性有機物氣體進行檢測，不能實現揮發(fā)性有機物總量檢測。而且由于大部分聚合物薄膜的折射率大于光纖包層的折射率，薄膜的厚度比較厚就會導致LPFG的共振峰減弱甚至消失，所以要求聚合物膜的厚度嚴格控制在納米量級，這樣對薄膜的性能(折射率和厚度)和制備條件要求都比較高。而且傳感器的性能如靈敏度、檢測下限都需要進一步提高。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在于:提供一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置，實現通過讓空氣中的揮發(fā)性有機物與光纖倏逝場直接作用的方式對空氣中的揮發(fā)性有機物進行檢測。
[0007]本實用新型提供了一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置，包括:
[0008]單模光纖、連接在所述單模光纖兩端的寬帶光源和光譜儀；
[0009]所述單模光纖上具有一拉錐區(qū)，所述拉錐區(qū)設置有長周期光纖光柵；
[0010]所述拉錐區(qū)固定在一氣室內，所述氣室用于通入待檢測氣體；
[0011]所述光譜儀根據所述寬帶光源通過所述氣室前后的波長及幅值的變化情況判斷所述待檢測氣體中揮發(fā)性有機物濃度。
[0012]進一步地，所述寬帶光源為自發(fā)輻射光源。
[0013]本實用新型還提供了另一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置，包括:
[0014]光子晶體光纖，其兩端分別熔接有第一單模光纖和第二單模光纖；
[0015]所述第一單模光纖連接寬帶光源，所述第二單模光纖連接光譜儀；
[0016]所述光子晶體光纖上具有一拉錐區(qū)，所述拉錐區(qū)設置有長周期光纖光柵；
[0017]所述拉錐區(qū)固定在一氣室內，所述氣室用于通入待檢測氣體；
[0018]所述光譜儀根據所述寬帶光源通過所述氣室前后的波長及幅值的變化情況判斷所述待檢測氣體中揮發(fā)性有機物的濃度。
[0019]進一步地，所述寬帶光源為自發(fā)輻射光源。
[0020]與現有技術相比，本實用新型通過在光纖上設置一拉錐區(qū)，并在該拉錐區(qū)設置一長周期光纖光柵作為待測氣體敏感部，大大增強了該敏感部的倏逝場強度，從而實現了通過光纖倏逝場與待測氣體直接相互作用來檢測待測氣體中揮發(fā)性有機物濃度的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1:本實用新型實施例1提供的一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置示意圖；
[0022]圖2:本實用新型實施例1提供的另一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0024]圖1為本實用新型所提供的一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置示意圖。根據圖1所示，該檢測裝置包括:單模光纖1、連接在單模光纖I兩端的寬帶光源2和光譜儀3 ；
[0025]單模光纖I上具有一拉錐區(qū)4，拉錐區(qū)4設置有長周期光纖光柵5 ；[0026]拉錐區(qū)4固定在一氣室6內，氣室6用于通入待檢測氣體；
[0027]氣室6上設置一進口閥門7和出口閥門8，用于待檢測氣體的輸入和輸出。
[0028]寬帶光源2采用自發(fā)輻射光源，自發(fā)輻射光源可在一定范圍內連續(xù)改變激光輸出波長，通過改變激光輸出波長可以檢測不同種類的揮發(fā)性有機物。
[0029]氣室6中，待檢測氣體中揮發(fā)性有機物的濃度的改變會引起長周期光纖光柵的諧振波長及振幅的改變，通過檢測該諧振波長與振幅的改變可檢測出待檢測氣體中揮發(fā)性有機物的濃度。
[0030]光譜儀3根據寬帶光源2通過氣室6前后的波長及幅值的變化情況判斷待檢測氣體中揮發(fā)性有機物的濃度。
[0031]該檢測裝置的制造包含如下步驟:
[0032]I)將單模光纖I的一段加熱形成一軟化區(qū)，具體地可采用氫氧焰進行加熱。氫氧焰溫度高，可熔化石英，而且在軟化的過程中不會滲入雜質。
[0033]2)將軟化區(qū)沿單模光纖I的軸向拉錐形成一拉錐區(qū)4 ；
[0034]3)在拉錐區(qū)4設置長周期光纖光柵5，具體地可采用飛秒激光器制作長周期光纖光柵5。飛秒激光器焦斑可控制在微米量級，可精確聚焦。將飛秒激光器的焦點精確定位到光纖纖芯，光纖纖芯在焦點區(qū)域對激光產生非線性吸收，使吸收區(qū)域材料密度變大，從而使折射率變大。沿光纖纖芯軸向逐點對光纖纖芯進行飛秒激光折射率調制就可形成長周期光纖光柵。
[0035]4)將拉錐區(qū)4固定在一氣室6中，具體地，可通過紫外膠固定在半圓柱形石英基板上。紫外膠不會產生其他揮發(fā)性成分對氣室6中的待檢測氣體成分產生影響。
[0036]5)將單模光纖I的兩端分別連接寬帶光源2和光譜儀3，具體地，寬帶光源2可采用自發(fā)輻射光源。
[0037]圖2為本實用新型所提供的另一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置示意圖。根據圖1所示，該檢測裝置包括:光子晶體光纖9，光子晶體光纖9的兩端分別熔接有第一單模光纖10和第二單模光纖11 ；
[0038]第一單模光纖10連接寬帶光源2，第二單模光纖11連接光譜儀3 ；
[0039]光子晶體光纖9上具有一拉錐區(qū)4，拉錐區(qū)4設置有長周期光纖光柵5 ；
[0040]拉錐區(qū)4固定在一氣室6內，氣室6用于通入待檢測氣體；
[0041]氣室6上設置一進口閥門7和出口閥門8，用于待檢測氣體的輸入和輸出。
[0042]寬帶光源2采用自發(fā)輻射光源，自發(fā)輻射光源可在一定范圍內連續(xù)改變激光輸出波長，通過改變激光輸出波長可以檢測不同種類的揮發(fā)性有機物。
[0043]氣室6中，待檢測氣體中揮發(fā)性有機物的濃度的改變會引起長周期光纖光柵的諧振波長及振幅的改變，通過檢測該諧振波長與振幅的改變可檢測出待檢測氣體中揮發(fā)性有機物的濃度。
[0044]光譜儀3根據寬帶光源2通過氣室6前后的波長及幅值的變化情況判斷待檢測氣體中揮發(fā)性有機物的濃度。
[0045]該檢測裝置的制造包含如下步驟:
[0046]I)將光子晶體光纖9的一段加熱形成一軟化區(qū)，具體地可采用氫氧焰進行加熱。氫氧焰溫度高，可熔化石英，而且在軟化的過程中不會滲入雜質。[0047]2)將軟化區(qū)沿光子晶體光纖9的軸向拉錐形成一拉錐區(qū)4 ；
[0048]3)在拉錐區(qū)4設置長周期光纖光柵5，具體地可采用飛秒激光器制作長周期光纖光柵。飛秒激光器焦斑可控制在微米量級，可精確聚焦。將飛秒激光器的焦點精確定位到光纖纖芯，光纖纖芯在焦點區(qū)域對激光產生非線性吸收，使吸收區(qū)域材料密度變大，從而使折射率變大。沿光纖纖芯軸向逐點對光纖纖芯進行飛秒激光折射率調制就可形成長周期光纖光柵。
[0049]4)將第一單模光纖10和第二單模光纖11分別熔接在光子晶體光纖9的兩端；
[0050]5)將拉錐區(qū)4固定在一氣室6中。具體地，可通過紫外膠固定在半圓柱形石英基板上。紫外膠不會產生其他揮發(fā)性成分對氣室6中的待檢測氣體成分產生影響。
[0051]6)將第一單模光纖10及第二單模光纖11分別連接一寬帶光源2及一光譜儀3。具體地，寬帶光源2可采用自發(fā)輻射光源。
[0052]本實用新型以光纖本身作為敏感部，以拉錐和LPFG作為激發(fā)倏逝場的有效手段，不需要鍍任何額外的化學敏感膜，實現了高靈敏度的揮發(fā)性有機物氣體總量檢測。
[0053]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置，其特征在于，包括: 單模光纖、連接在所述單模光纖兩端的寬帶光源和光譜儀； 所述單模光纖上具有一拉錐區(qū)，所述拉錐區(qū)設置有長周期光纖光柵； 所述拉錐區(qū)固定在一氣室內，所述氣室用于通入待檢測氣體； 所述光譜儀根據所述寬帶光源通過所述氣室前后的波長及幅值的變化情況判斷所述待檢測氣體中揮發(fā)性有機物濃度。
2.如權利要求1所述的基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置，其特征在于，所述寬帶光源為自發(fā)輻射光源。
3.一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置，其特征在于，包括: 光子晶體光纖，其兩端分別熔接有第一單模光纖和第二單模光纖； 所述第一單模光纖連接寬帶光源，所述第二單模光纖連接光譜儀； 所述光子晶體光纖上具有一拉錐區(qū)，所述拉錐區(qū)設置有長周期光纖光柵； 所述拉錐區(qū)固定在一氣室內，所述氣室用于通入待檢測氣體； 所述光譜儀根據所述寬帶光源通過所述氣室前后的波長及幅值的變化情況判斷所述待檢測氣體中揮發(fā)性有機物的濃度。
4.如權利要求3所述的基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置，其特征在于，所述寬帶光源為自發(fā)輻射光源。
【文檔編號】G01N21/25GK203443888SQ201320422610
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年7月16日 優(yōu)先權日:2013年7月16日
【發(fā)明者】于永芹, 李學金, 歐志龍, 歐召芳, 徐曉梅, 洪學明, 黃權東, 陳雪 申請人:深圳大學