專利名稱：一種基于開放式微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分析設(shè)備領(lǐng)域。具體涉及一種采用了開放式微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置?？蓱?yīng)用于對單一氣體樣本或混合氣體樣本的定性、定量分析。
背景技術(shù)：
當(dāng)使用波長比待測樣本粒徑小得多的單色光照射氣體，液體樣本時，部分光會按不同的角度發(fā)生散射。散射光中除含有與照射光頻率相同的瑞利散射光以外，還含有一系列對稱分布于照射光頻率兩側(cè)的有一定頻移的譜線，該現(xiàn)象是拉曼散射現(xiàn)象。由于拉曼譜線的數(shù)目與頻移直接與待測樣本的分子結(jié)構(gòu)、分子振動、轉(zhuǎn)動能級以及濃度有關(guān)，因此通過分析拉曼光譜，就可以定性的分析待測樣本的組分。基于拉曼散射效應(yīng)的氣體樣本檢測方法，具有易于實現(xiàn)、無需前處理、抗干擾等優(yōu)點。但是微弱的拉曼散射系數(shù)是制約其廣泛應(yīng)用的缺陷，為了提高信號強度，需要提高光場與分析物質(zhì)的重疊度。而采用微結(jié)構(gòu)光纖(MOF)的氣體拉曼檢測裝置更兼具集成化、光場-氣體分布場的重疊度高、作用距離長、分布式傳感、抗電磁干擾等優(yōu)點。本發(fā)明即是一種采用了微結(jié)構(gòu)光纖的拉曼氣體檢測裝置。衡量基于微結(jié)構(gòu)光纖的拉曼氣體檢測裝置的性能主要從兩方面進行分析靈敏度和響應(yīng)時間。目前基于微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置主要基于兩種結(jié)構(gòu)光子帶隙型微結(jié)構(gòu)光纖(PBG-MOF)⑴和全內(nèi)反射性微結(jié)構(gòu)光纖(TIR-MOF)2。PBG-MOF的優(yōu)點是光場與氣體分布的場重疊度高，高重疊度有助于增強產(chǎn)生的拉曼信號光，但局限于光子帶隙的要求，光子帶隙型微結(jié)構(gòu)光纖的側(cè)面無法實現(xiàn)開放，氣體僅能從光纖端面進入，使得擴散時間過長，無法實現(xiàn)實時檢測；TIR-MOF的優(yōu)點在于通過側(cè)面剖光、等離子束、化學(xué)腐蝕等方法可使微結(jié)構(gòu)光纖的側(cè)面開放，實現(xiàn)實時傳感。在TIR-MOF光纖類型中，纖芯懸浮光纖 (suspended core fiber，簡稱SCF)具有非常大的空氣孔/基底材料比，而且通過壓縮芯徑至幾百甚至幾十納米，可以使得相當(dāng)高的激發(fā)光能量分布在纖芯周圍的氣孔區(qū)域，提高光場與氣體的場重疊度，進而增強拉曼信號光的強度。但在目前的SCF氣體傳感器中，僅有單一氣孔開放，光場僅與該開放的氣孔內(nèi)的氣體發(fā)生作用，這種情況下，光場與氣體分布場重疊度反而不及密閉型的SCF氣體傳感器，進而影響最終產(chǎn)生的拉曼信號光的強度，未能有效挖掘SCF提高拉曼信號強度的潛力。在本發(fā)明提出的基于開放式微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置設(shè)計中，通過光纖側(cè)面開氣體進口和在懸臂上加入陣列式氣體擴散孔結(jié)構(gòu)，使得待測氣體可以快速的擴散至所有氣孔區(qū)域，本發(fā)明可在具備快速響應(yīng)特性的同時，提高了激發(fā)光的模場與氣體的重疊度， 進而提高了拉曼信號光的強度。并且通過優(yōu)化微結(jié)構(gòu)光纖纖芯芯徑，懸臂厚度，光纖基底材料，可進一步提高產(chǎn)生的拉曼信號光的強度。[1Μ· P. Buric,K. P. Chen, J. Falk, S. D. Woodruff, "Enhanced spontaneous Raman scattering and gas composition analysis using a photonic bandgap fibre",Applied Optics,47,4255 (2008.)
[2JIsabelle Dicaire,Jean-Charles Beugnot,Luc Thevenaz,“Suspended-core fibres as optical gas sensing cells study and implementation，，，Proc. of SPIE Vol. 735773570U-1(2009)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種采用了開放式微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置。其檢測原理如圖1 所示。待測氣體按照圖中箭頭9所指方向從側(cè)面進入開放式微結(jié)構(gòu)光纖5中，并擴散至開放式微結(jié)構(gòu)光纖5內(nèi)部的三個氣孔中。激光器1發(fā)射的激發(fā)光按圖1中的虛線光路2經(jīng)半透半反鏡3、透鏡4進入開放式微結(jié)構(gòu)光纖5。此時，激發(fā)光的模場與開放式微結(jié)構(gòu)光纖 5內(nèi)的待測氣體相互作用，激勵待測氣體發(fā)出拉曼散射信號光，該信號光按圖1中的實線光路6經(jīng)透鏡4，半透半反鏡3和透鏡7進入拉曼光譜分析儀8中。通過該分析儀對拉曼信號光的光譜與強度的分析，進而測得待測氣體的分子種類與濃度。圖2和圖3是開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的結(jié)構(gòu)示意圖與端面圖。開放式微結(jié)構(gòu)光纖5 由纖芯、空氣孔區(qū)域、部分開放式包層三部分組成。開放式微結(jié)構(gòu)光纖5中的空氣孔區(qū)域為 3個氣孔，分別是氣孔10，氣孔11和氣孔12。氣孔10，11，12由懸臂13，懸臂14，與懸臂15 支撐并固定。三個懸臂中心交匯處的最大內(nèi)切圓所在區(qū)域定義為纖芯16。氣孔10的邊緣開有氣體進口 17，懸臂13與懸臂14上開有陣列式氣體擴散孔18，懸臂15上無氣體擴散孔。 待測氣體經(jīng)氣體進口 17進入開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的氣孔10內(nèi)部，并經(jīng)由陣列式氣體擴散孔18擴散到氣孔11和氣孔12內(nèi)。在本發(fā)明方案中，纖芯16的半徑限制在IOOnm到600nm 之間。此種情況下，激發(fā)光的模場能量僅部分束縛在纖芯16內(nèi)，大部分能量在纖芯16附近區(qū)域的氣孔區(qū)域傳輸，這部分能量與擴散至氣孔10，11，12內(nèi)的待測氣體相互作用，激發(fā)待測氣體發(fā)出拉曼信號光，產(chǎn)生的拉曼信號光能量將在光纖的波導(dǎo)傳輸機制作用下，傳遞到開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的兩端面。在激發(fā)光入射方向的后向收集拉曼信號光，具有信噪比高的優(yōu)點，因此本發(fā)明收集后向的拉曼信號光。本發(fā)明的設(shè)計方案是讓待測氣體經(jīng)氣體進口 17進入氣孔10，克服了氣體經(jīng)已有的封閉式微結(jié)構(gòu)光纖端面進入氣孔速度緩慢導(dǎo)致傳感器響應(yīng)速度過慢的問題。在懸臂13 與懸臂14上開有陣列式氣體擴散孔18，使得進入氣孔10的氣體能夠快速擴散到氣孔11和氣孔12內(nèi)，從而提高激發(fā)光的模場與氣體的重疊度，起到了加強了拉曼信號光的強度。此外通過將纖芯半徑縮小至IOOnm到600nm之間，進一步提高了微結(jié)構(gòu)光纖氣孔內(nèi)激發(fā)光的模場與氣體的重疊度，進一步增強了拉曼信號光的強度。通過理論計算，得出拉曼信號光的強度與纖芯半徑、懸臂厚度、光纖基底材料有關(guān)，選擇適當(dāng)尺寸的纖芯半徑、較細(xì)的懸臂厚度、高折射率的光纖基底材料有助于提高信號強度。綜合考慮上述影響因素，本發(fā)明計算了各種情況下拉曼信號光的強度，并繪制了圖4， 圖5。其中圖4是采用鉍基玻璃材料作為開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的基底時，歸一化的拉曼散射光信號強度(縱坐標(biāo))與纖芯直徑(橫坐標(biāo)，單位微米)的關(guān)系圖，不同的曲線對應(yīng)了不同的懸臂厚度。圖5是采用二氧化硅材料作為開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的基底時，歸一化的拉曼散射光信號強度(縱坐標(biāo))與纖芯直徑(橫坐標(biāo)，單位微米)的關(guān)系圖，不同的曲線對應(yīng)了不同的懸臂厚度。通過圖4，圖5可以看出，當(dāng)采用二氧化硅作為開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的基底時，纖芯16的最佳纖芯直徑為150nm左右，而采用鉍基玻璃材料作為開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的基底時，纖芯16的最佳纖芯直徑為IOOnm附近。且采用鉍基玻璃材料作為基底其歸一化的拉曼散射光信號的強度大于采用鉍基玻璃作為開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的基底時的情況。另外，懸臂13，14，15的厚度越薄，拉曼信號光的強度越強。圖6是待測氣體在開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的氣孔區(qū)域的擴散曲線，其中橫坐標(biāo)為時間(單位秒)，縱坐標(biāo)是氣體濃度?？梢钥闯?，本發(fā)明的設(shè)計方案中，待測氣體擴散進入三個氣孔的擴散時間較短，比較快的氣體擴散時間使得氣體拉曼散射分析設(shè)備的響應(yīng)時間較短，可用于實時在線檢測。


圖1是基于開放式微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置原理圖。圖2是開放式微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)圖。圖3是開放式微結(jié)構(gòu)光纖的端面圖。圖4是采用Bismuth材料作為光纖基底的歸一化拉曼散射光信號的強度曲線圖。圖5是采用S^2材料作為光纖基底的歸一化拉曼散射光信號的強度曲線圖。圖6是基于開放式微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置的氣體擴散時間曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合圖1和圖2就本發(fā)明的具體實施方式
予以說明。激發(fā)光的能量經(jīng)半反半透鏡3，透鏡4后，入射到開放式微結(jié)構(gòu)光纖5中。待測氣體是由氣體進口 17進入開放式微結(jié)構(gòu)光纖5的氣孔10內(nèi)的，并經(jīng)陣列式氣體擴散孔18擴散到氣孔11與氣孔12內(nèi)的。待測氣體擴散進入三個氣孔的擴散時間小于1分鐘，比較快的氣體擴散時間使得氣體拉曼散射分析設(shè)備的響應(yīng)時間可縮短至1分鐘以內(nèi)。由于激發(fā)光的能量進入光纖5后，一部分能量場在傳遞過程中束縛在緊貼纖芯16 的氣孔10，11，12中，這部分能量場將與擴散到氣孔10，11，12內(nèi)的待測氣體相互作用，待測氣體在激勵光的作用下產(chǎn)生拉曼散射信號光。拉曼散射信號光的光譜與強度特征反映了待測氣體的氣體分子種類及濃度特點，因此通過分析拉曼散射信號光的光譜和強度特征即可得到待測氣體的氣體分子特性與氣體濃度。氣體分子所發(fā)射的拉曼信號光是向周圍空間均勻發(fā)射的，其中一部分拉曼信號光將在光纖波導(dǎo)傳輸作用下沿光纖5傳輸至光纖的兩個端面。從激發(fā)光入射端出射的拉曼信號光將經(jīng)透鏡4、半反半透鏡3、透鏡7后進入拉曼光譜分析儀8。
權(quán)利要求
1.一種基于開放式微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置的開放式微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計，該光纖包含纖芯，由三個懸臂隔開的三個空氣孔，以及包層。
2.權(quán)利要求1中所述的纖芯的半徑范圍在50nm和IOOOnm之間，懸臂厚度在20nm和 200nm之間。
3.權(quán)利要求1中所述的開放式微結(jié)構(gòu)光纖的基底材料包括鉍基玻璃和二氧化硅玻璃。
4.權(quán)利要求1中所述的開放式微結(jié)構(gòu)光纖的包層開有氣體進口，檢測過程光纖外部的待測氣體可以通過上述進口擴散進入與氣體進口連通的空氣孔區(qū)域。
5.權(quán)利要求1所述的三個懸臂，其中與氣體進口相連通的空氣孔的兩邊的兩個懸臂表面具有陣列式氣體擴散孔，氣孔尺寸在100nm-2000nm之間，在先已經(jīng)擴散進入與氣體進口相連通的空氣孔區(qū)域的氣體可以通過上述陣列式氣體擴散孔擴散進入其余的兩個空氣孔區(qū)域。
6.一種基于開放式微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置的檢測方式采用光纖端面前向檢測或光纖端面后向檢測方式，即待測氣體在激勵光源的激發(fā)作用下產(chǎn)生拉曼信號光，產(chǎn)生的拉曼信號光經(jīng)上述開放式微結(jié)構(gòu)光纖傳輸至光纖端面，采用透鏡和半反半透鏡分離拉曼信號光與激勵光，最后通過拉曼光譜儀分析產(chǎn)生的拉曼信號光。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于開放式微結(jié)構(gòu)光纖的氣體拉曼檢測裝置，可應(yīng)用于對單一氣體樣本或混合氣體樣本組分的定性分析。在本發(fā)明中，通過光纖包層側(cè)面開設(shè)氣體進口和在懸臂上加入陣列式氣體擴散孔結(jié)構(gòu)，使得待測氣體可以快速的擴散至所有氣孔區(qū)域。因此本發(fā)明可在具備快速響應(yīng)特性的同時，提高了激發(fā)光的模場與氣體的重疊度，進而提高了拉曼信號光的強度。并且通過優(yōu)化微結(jié)構(gòu)光纖纖芯芯徑，懸臂厚度，光纖基底材料，可進一步提高光纖端面接收到的拉曼信號光強度。
文檔編號G02B6/02GK102359955SQ20111021649
公開日2012年2月22日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者劉建勝, 李凌, 李昕, 王冠軍, 鄭錚 申請人:北京航空航天大學(xué)