本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于單模-多模-無芯光纖結(jié)構(gòu)的分子態(tài)有機污染物在線監(jiān)測傳感器。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代技術(shù)的迅猛發(fā)展，對實驗和生產(chǎn)的環(huán)境要求越來越高。分子態(tài)污染物對半導(dǎo)體生產(chǎn)、醫(yī)療、航天領(lǐng)域特別是高功率激光裝置等具有相當(dāng)非常大的影響。一方面分子態(tài)有機污染物嚴(yán)重影響半導(dǎo)體成品率；另一方面分子態(tài)有機污染物在強激光作用下產(chǎn)生聚集，導(dǎo)致光學(xué)元件表面損傷閾值的降低，從而影響整個裝置的負(fù)載能力。因此對光學(xué)元件的制造、清洗、安裝以及材料進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，以保證激光裝置在安裝、運行過程中盡可能減少分子態(tài)有機污染物。選材、清洗、安裝及運行過程中潔凈控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，主要由于高功率激光裝置為巨大而復(fù)雜的真空系統(tǒng)，需要大量的粘合劑、潤滑劑、高分子材料、墊圈等等。在低真空情況下，這些材料會產(chǎn)生可揮發(fā)的分子態(tài)有機污染物，在強光照射下會加劇這些揮發(fā)，這些污染物一方面沉積在光學(xué)元件表面形成薄膜，影響光束質(zhì)量，一另方面吸收光能量產(chǎn)生微爆炸，導(dǎo)致光學(xué)元件閾值下降。為保證高功率激光系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定工作，必須對激光裝置中分子態(tài)有機污染物進(jìn)行在線監(jiān)測。目前有機污染物的測量方法主要有以下幾種方式：(1)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法。該方法需要用準(zhǔn)確度極高，但需要先用潔凈采氣罐對被測量環(huán)境進(jìn)行氣體采集，并需要專業(yè)人員利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行測量，該種方法費時、費力，分析時間較長，同時無法實現(xiàn)在線監(jiān)測及真空環(huán)境監(jiān)測需求。(2)石英晶體微平衡法。該方法是一種諧振式測量儀器，配合敏感材料可以進(jìn)行微質(zhì)量的測量，成本低廉。但由于該方法是體諧振式傳感，受限于諧振頻率，其精度為納克量級，同時該方法實現(xiàn)分布式傳感較為困難。(3)聲表面波法。該方法諧振頻率為百mhz量級，可以得到比石英晶體微平衡法更高的精度，該方法的表面積較大(幾個平方毫米)且對光刻技術(shù)要求高。與其他檢測方法相比，該種檢測方法具有避免二次污染，可在線監(jiān)測、靈敏度較高、易于擴展、便于集成且與普通光纖易于連接等優(yōu)點，特別適合在傳感領(lǐng)域應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)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(yōu)點。

為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種基于單模-多模-無芯光纖結(jié)構(gòu)的分子態(tài)有機污染物在線監(jiān)測傳感器，包括：

單模光纖，其用于光信號的輸入和輸出；

多模光纖，其輸入端與所述單模光纖的輸出端無偏心熔接；

無芯光纖，其一端與所述多模光纖的輸出端偏心熔接；所述無芯光纖的表面附著溶膠-凝膠二氧化硅膜層；

其中，所述無芯光纖與多模光纖偏心熔接后的不重疊位置處附著第一金屬膜層以反射多模光纖中的光信號；所述無芯光纖的另一端附著第二金屬膜層以反射無芯光纖中的光信號。

優(yōu)選的是，所述單模光纖的直徑均為125μm、芯徑均為8～10μm。

優(yōu)選的是，所述多模光纖的長度為3～10mm、直徑為125μm、芯徑為50～125μm。

優(yōu)選的是，所述無芯光纖的長度為3～10mm、直徑為20～100μm。

優(yōu)選的是，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層為鋱鏑鐵溶膠-凝膠二氧化硅膜層。

優(yōu)選的是，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層的厚度為1～10μm；所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層采用提拉鍍膜法附著在無芯光纖的表面。

優(yōu)選的是，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層為空心球二氧化硅膜層；所述提拉鍍膜法的過程為：配制濃度為3～5wt％的空心球二氧化硅膠體，將拉制小芯單模光纖固定在提拉鍍膜機的支架上，在提拉速度為300～500mm/min下，對拉制小芯單模光纖的表面進(jìn)行提拉鍍膜；所述空心球二氧化硅膠體的制備方法為：按重量份，取0.1～0.5份聚丙烯酸溶解在5～10份的氨水溶液中，然后加入到150～200份乙醇中，然后在3～5小時內(nèi)將1～3份正硅酸乙酯加入，繼續(xù)攪拌3～5小時，靜置1～3天，得到空心球二氧化硅膠體。

優(yōu)選的是，所述單模光纖與多模光纖采用光纖熔接技術(shù)進(jìn)行無偏心熔接；所述無芯光纖與多模光纖采用光纖熔接技術(shù)進(jìn)行偏心熔接。

優(yōu)選的是，所述第一金屬膜層的厚度大于50nm，其采用真空濺射方法附著在多模光纖與無芯光纖不重疊的端面上；所述第二金屬膜層的厚度大于50nm，其采用真空濺射方法附著在無芯光纖的另一個端面上。

優(yōu)選的是，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層采用靜電紡絲法包覆在無芯光纖的表面；所述靜電紡絲的過程為：將濃度為0.5～5wt％的二氧化硅膠體注入帶不銹鋼噴頭的噴射容器內(nèi)，然后用高壓電源將電壓施加在不銹鋼噴頭上，并利用與噴射容器連接的推進(jìn)泵將噴射容器內(nèi)的二氧化硅膠體通過不銹鋼噴頭噴射至旋轉(zhuǎn)的無芯光纖接收裝置上，所述靜電紡絲的噴射條件為：環(huán)境溫度為40～60℃、高壓電源的輸出電壓為15～25kv、無芯光纖與不銹鋼噴頭之間距離為15～20cm、流速為10～20ml/h、無芯光纖接收裝置的旋轉(zhuǎn)速度為50～150r/min。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：本發(fā)明的分子態(tài)有機污染物在線監(jiān)測傳感器，當(dāng)超輻射發(fā)光二極管發(fā)出的光在單模光纖中傳輸，并進(jìn)入多模光纖中傳輸，在多模光纖的端面，光信號被分為兩部分，第一部分在端面處被第一金屬膜層反射，第二部分進(jìn)入無芯光纖中傳輸，并在無芯光纖的末端被第二金屬膜層反射，反射光進(jìn)入多模光纖中與無芯光纖中的反射光進(jìn)行干涉，干涉光通過單模光纖輸出；當(dāng)被監(jiān)測環(huán)境中的分子態(tài)有機污染物導(dǎo)致無芯光纖表面的溶膠-凝膠二氧化硅膜層折射率發(fā)生變化，進(jìn)而影響干涉光的諧振波長位移，通過波長偏移量反推分子態(tài)有機污染物濃度。

本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明基于單模-多模-無芯光纖結(jié)構(gòu)的分子態(tài)有機污染物在線監(jiān)測傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)對污染物的響應(yīng)光譜圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

圖1示出了本發(fā)明的一種基于單模-多模-無芯光纖結(jié)構(gòu)的分子態(tài)有機污染物在線監(jiān)測傳感器，包括：單模光纖1，其用于光信號的輸入和輸出；多模光纖2，其輸入端與所述單模光纖1的輸出端無偏心熔接；無芯光纖3，其一端與所述多模光纖2的輸出端偏心熔接；所述無芯光纖3的表面附著溶膠-凝膠二氧化硅膜層4；

其中，所述無芯光纖3與多模光纖2偏心熔接后的不重疊位置處附著第一金屬膜層5以反射多模光纖中的光信號；所述無芯光纖3的另一端附著第二金屬膜層6以反射無芯光纖中的光信號。

其中，所述單模光纖的直徑均為125μm、芯徑均為8～10μm，所述多模光纖的長度為3～10mm、直徑為125μm、芯徑為50～125μm，所述無芯光纖的長度為3～10mm、直徑為20～100μm。

在這種技術(shù)方案中，當(dāng)超輻射發(fā)光二極管發(fā)出的光在單模光纖中傳輸，并進(jìn)入多模光纖中傳輸，在多模光纖的末端，光信號被分為兩部分，第一部分在端面處被第一金屬膜層反射，第二部分進(jìn)入無芯光纖中傳輸，并在無芯光纖的末端被第二金屬膜層反射，反射光進(jìn)入多模光纖中與多模光纖中的反射光進(jìn)行干涉，干涉光通過單模光纖輸出；當(dāng)將附著有溶膠-凝膠二氧化硅膜層的分子態(tài)有機污染物在線監(jiān)測傳感器置于被監(jiān)測環(huán)境中，分子態(tài)有機污染物濃度會導(dǎo)致有無芯光纖折射率發(fā)生變化，使馬赫-澤德混合干涉中一干涉臂光程發(fā)生變化導(dǎo)致整個波導(dǎo)干涉條件發(fā)生變化，最后信號并被光譜儀接收，通過對接收信號進(jìn)行處理即可反推外部環(huán)境分子態(tài)有機污染物濃度；圖2示出了本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)對污染物的響應(yīng)光譜圖；

在上述技術(shù)方案中，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層的厚度為1～10μm，所述敏感膜層為溶膠-凝膠二氧化硅膜層；采用這種材料層，可使有機污染物在無芯光纖表面產(chǎn)生富集，影響波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率。

在上述技術(shù)方案中，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層采用提拉法附著在無芯光纖的表面。采用這種方式，溶膠-凝膠二氧化硅膜層能夠牢固的連接在多模光纖的表面，并且能夠提高分子態(tài)有機污染物在線監(jiān)測精度。

在在上述技術(shù)方案中，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層為空心球二氧化硅膜層；所述提拉鍍膜法的過程為：配制濃度為3wt％的空心球二氧化硅膠體，將拉制小芯單模光纖固定在提拉鍍膜機的支架上，在提拉速度為300mm/min下，對拉制小芯單模光纖的表面進(jìn)行提拉鍍膜；所述空心球二氧化硅膠體的制備方法為：按重量份，取0.1份聚丙烯酸溶解在5份的氨水溶液中，然后加入到150份乙醇中，然后在3小時內(nèi)將1份正硅酸乙酯加入，繼續(xù)攪拌3小時，靜置1天，得到空心球二氧化硅膠體。

在另一種技術(shù)方案中，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層為空心球二氧化硅膜層；所述提拉鍍膜法的過程為：配制濃度為5wt％的空心球二氧化硅膠體，將拉制小芯單模光纖固定在提拉鍍膜機的支架上，在提拉速度為500mm/min下，對拉制小芯單模光纖的表面進(jìn)行提拉鍍膜；所述空心球二氧化硅膠體的制備方法為：按重量份，取0.5份聚丙烯酸溶解在10份的氨水溶液中，然后加入到200份乙醇中，然后在5小時內(nèi)將3份正硅酸乙酯加入，繼續(xù)攪拌5小時，靜置3天，得到空心球二氧化硅膠體。

在上述技術(shù)方案中，所述單模光纖與多模光纖采用光纖熔接技術(shù)進(jìn)行無偏心熔接；所述無芯光纖與多模光纖采用光纖熔接技術(shù)進(jìn)行偏心熔接。采用這種方式，能夠?qū)⒐庑盘柗譃閮刹糠诌M(jìn)行傳輸，提高了分子態(tài)有機污染物在線監(jiān)測精度。

在上述技術(shù)方案中，所述第一金屬膜層的厚度大于50nm，其采用真空濺射方法附著在多模光纖與無芯光纖不重疊的端面上；所述第二金屬膜層的厚度大于50nm，其采用真空濺射方法附著在無芯光纖的另一個端面上，采用這種附著方式，使金屬膜層能夠牢固的連接，并準(zhǔn)確的對光信號進(jìn)行反射，提高了分子態(tài)有機污染物在線監(jiān)測精度。

在另一種技術(shù)方案中，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層采用靜電紡絲法附著在無芯光纖的表面；所述靜電紡絲的過程為：將濃度為0.5wt％的二氧化硅膠體注入帶不銹鋼噴頭的噴射容器內(nèi)，然后用高壓電源將電壓施加在不銹鋼噴頭上，并利用與噴射容器連接的推進(jìn)泵將噴射容器內(nèi)的二氧化硅膠體通過不銹鋼噴頭噴射至旋轉(zhuǎn)的無芯光纖接收裝置上，使無芯光纖表面附著二氧化硅纖維膜層；所述靜電紡絲的噴射條件為：環(huán)境溫度為40℃、高壓電源的輸出電壓為15kv、無芯光纖與不銹鋼噴頭之間距離為15cm、流速為10ml/h、無芯光纖接收裝置的旋轉(zhuǎn)速度為50r/min。

在另一種技術(shù)方案中，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層采用靜電紡絲法附著在無芯光纖的表面；所述靜電紡絲的過程為：將濃度為5wt％的二氧化硅膠體注入帶不銹鋼噴頭的噴射容器內(nèi)，然后用高壓電源將電壓施加在不銹鋼噴頭上，并利用與噴射容器連接的推進(jìn)泵將噴射容器內(nèi)的二氧化硅膠體通過不銹鋼噴頭噴射至旋轉(zhuǎn)的無芯光纖接收裝置上，使拉制小芯單模光纖表面附著二氧化硅纖維膜層；所述靜電紡絲的噴射條件為：環(huán)境溫度為60℃、高壓電源的輸出電壓為25kv、無芯光纖與不銹鋼噴頭之間距離為20cm、流速為20ml/h、無芯光纖接收裝置的旋轉(zhuǎn)速度為150r/min。

在另一種技術(shù)方案中，所述溶膠-凝膠二氧化硅膜層采用靜電紡絲法附著在無芯光纖的表面；所述靜電紡絲的過程為：將濃度為3wt％的二氧化硅膠體注入帶不銹鋼噴頭的噴射容器內(nèi)，然后用高壓電源將電壓施加在不銹鋼噴頭上，并利用與噴射容器連接的推進(jìn)泵將噴射容器內(nèi)的二氧化硅膠體通過不銹鋼噴頭噴射至旋轉(zhuǎn)的拉制小芯單模光纖接收裝置上，使無芯光纖表面附著二氧化硅纖維膜層；所述靜電紡絲的噴射條件為：環(huán)境溫度為50℃、高壓電源的輸出電壓為20kv、無芯光纖與不銹鋼噴頭之間距離為18cm、流速為15ml/h、無芯光纖接收裝置的旋轉(zhuǎn)速度為100r/min。

采用本發(fā)明的靜電紡絲方法使二氧化硅溶膠以微納纖維的形式附著在無芯光纖表面，二氧化硅纖維膜層的比表面積大，對有機污染物的吸附效果更好，使有機污染物的檢測效果更優(yōu)。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。