專利名稱：基于光子晶體光纖長周期光柵的揮發(fā)性有機物傳感方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及基于光子晶體光纖長周期光柵(Photonic crystal fiber-Long period grating, PCF-LPG)的揮發(fā)性有機物傳感方法，以及實現該方法的裝置。
背景技術：
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，會嚴重破壞環(huán)境和人體健康。因此，發(fā)展靈敏、快速、準確測定空氣中VOCs含量的方法是非常必要的。在現有的檢測方法中，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。基于光纖的揮發(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長周期光柵的揮發(fā)性有機物傳感方法，同時提供了實現該方法的裝置。這種傳感器結構緊湊，可長期重復測量，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，可以很好的實現不同種類揮發(fā)性有機物的檢測。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的就是解決現有揮發(fā)性有機物傳感技術中存在的檢測成本高，難于實現長期重復測量和微量檢測的問題，提供了一種結構緊湊、可長期重復測量、靈敏度高的基于光子晶體光纖長周期光柵的揮發(fā)性有機物傳感方法，以及實現該方法的裝置。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一個長周期光柵，制成光子晶體光纖長周期光柵；步驟(2)將制成的光子晶體光纖長周期光柵完全置于一個內徑為126 127 μ m套筒內，套筒兩端比光子晶體光纖長周期光柵長2 4cm，長出的部分經預處理有鏤空的網狀結構，將兩根單模光纖分別從套筒兩側插入套筒內，與光子晶體光纖長周期光柵的端面接近但不發(fā)生接觸，由于套筒的內徑僅比光纖直徑大I 2μπι，單模光纖與光子晶體光纖長周期光柵能夠很好的實現未熔接的光準直，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)將步驟(2)中內置好光纖的套筒置于待檢測的揮發(fā)性有機物環(huán)境中。基于光子晶體光纖上刻寫有長周期光柵，光在光子晶體光纖中傳播并經長周期光柵作用，出射光會有諧振峰，諧振波長與光子晶體光纖包層模和纖芯模的有效折射率有關λ = [nco (C) -nc/ (C) ] Λ其中η。。(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揮發(fā)性有機物濃度C有函數關系，Λ為長周期光柵的柵格周期。因此，當揮發(fā)性有機物經由套筒的鏤空結構處擴散進入套筒內，并進一步擴散進入光子晶體光纖的包層空氣孔，會改變包層模和纖芯模的有效折射率，從而觀測到諧振波長的變化，通過監(jiān)測諧振波長的移動可以實現對濃度的檢測。
實現本發(fā)明方法的裝置包括一個寬帶光源、兩根單模光纖、一段光子晶體光纖長周期光柵、一個套筒和一個光譜儀。將光子晶體光纖長周期光柵完全置于套筒內，將兩根單模光纖分別從套筒兩側插入套筒內，與光子晶體光纖長周期光柵的端面接近但不發(fā)生接觸，實現未熔接的光準直，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。所述的套筒內徑為126 127μπι，套筒兩端比光子晶體光纖長周期光柵長2 4cm，長出的部分經預處理有鏤空的網狀結構。本發(fā)明所具有的有益效果為I.光子晶體光纖的包層中具有大量微米量級的空氣孔結構。當VOCs經過揮發(fā)并擴散進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，增加測量靈敏度。而且，光子晶體光纖長周期光柵兩端與兩根單模光纖未熔接的光準直方式，可以使得VOCs分子易于排出，便于重復測量。2.光子晶體光纖長周期光柵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構緊湊，可長期重復測量，便于微量監(jiān)測，靈敏度高，可以很好的實現不同種類揮發(fā)性有機物的檢測。


圖I為本發(fā)明的結構圖；圖2為本發(fā)明傳感部位的細節(jié)圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進一步描述。如圖I所示，基于光子晶體光纖長周期光柵實現揮發(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、光子晶體光纖長周期光柵3、套筒4、光譜儀5。將光子晶體光纖長周期光柵3完全置于套筒4內，將兩根單模光纖2分別從套筒4兩側插入套筒4內，與光子晶體光纖長周期光柵3的端面接近但不發(fā)生接觸，實現未熔接的光準直，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一個長周期光柵，制成光子晶體光纖長周期光柵；步驟(2)將制成的光子晶體光纖長周期光柵完全置于一個內徑為126 127 μ m套筒內，套筒兩端比光子晶體光纖長周期光柵長2 4cm，長出的部分經預處理有鏤空的網狀結構，將兩根單模光纖分別從套筒兩側插入套筒內，與光子晶體光纖長周期光柵的端面接近但不發(fā)生接觸，由于套筒的內徑僅比光纖直徑大I 2μπι，單模光纖與光子晶體光纖 長周期光柵能夠很好的實現未熔接的光準直，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)將步驟(2)中內置好光纖的套筒置于待檢測的揮發(fā)性有機物環(huán)境中?；诠庾泳w光纖上刻寫有長周期光柵，光在光子晶體光纖中傳播并經長周期光柵作用，出射光會有諧振峰，諧振波長與光子晶體光纖包層模和纖芯模的有效折射率有關λ = [nco (C) -ncl (C) ] Λ其中η。。(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揮發(fā)性有機物濃度C有函數關系，Λ為長周期光柵的柵格周期。因此，當揮發(fā)性有機物經由套筒的鏤空結構處擴散進入套筒內，并進一步擴散進入光子晶體光纖的包層空氣孔，會改變包層模和纖芯模的有效折射率，從而觀測到諧振波長的變化，通過監(jiān)測諧振波長的移動可以實現對濃度的檢測。在本實例中所使用的光子晶體光纖長周期光柵的柵格周期Λ為160 μ m，包層空氣孔折射率η = I時諧振波長為1533. 87nm，記錄對應不同體積分數的甲醇試劑所對應的諧振波長，其結果如表一。表一空氣中甲醇體積分數與諧振波長的變化關系
權利要求
1.基于光子晶體光纖長周期光柵的揮發(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一個長周期光柵，制成光子晶體光纖長周期光柵； 步驟(2)將制成的光子晶體光纖長周期光柵完全置于一個內徑為126 127 μ m套筒內，套筒兩端比光子晶體光纖長周期光柵長2 4cm，長出的部分經預處理有鏤空的網狀結構，將兩根單模光纖分別從套筒兩側插入套筒內，與光子晶體光纖長周期光柵的端面接近但不發(fā)生接觸，由于套筒的內徑僅比光纖直徑大I 2μπι，單模光纖與光子晶體光纖長周期光柵能夠很好的實現未熔接的光準直，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)將步驟(2)中內置好光纖的套筒置于待檢測的揮發(fā)性有機物環(huán)境中，基于光子晶體光纖上刻寫有長周期光柵，光在光子晶體光纖中傳播并經長周期光柵作用，出射光會有諧振峰，諧振波長與光子晶體光纖包層模和纖芯模的有效折射率有關 λ = [nco (C) -ncl (C) ] Λ 其中η。。(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揮發(fā)性有機物濃度C有函數關系，Λ為長周期光柵的柵格周期，因此，當揮發(fā)性有機物經由套筒的鏤空結構處擴散進入套筒內，并進一步擴散進入光子晶體光纖的包層空氣孔，會改變包層模和纖芯模的有效折射率，從而觀測到諧振波長的變化，通過監(jiān)測諧振波長的移動可以實現對濃度的檢測。
2.實現權利要求I所述方法的裝置，包括一個寬帶光源、兩根單模光纖、一段光子晶體光纖長周期光柵、一個套筒和一個光譜儀，將光子晶體光纖長周期光柵完全置于套筒內，將兩根單模光纖分別從套筒兩側插入套筒內，與光子晶體光纖長周期光柵的端面接近但不發(fā)生接觸，實現未熔接的光準直，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長周期光柵是在光子晶體光纖上用二氧化碳激光器刻寫一個長周期光柵； 所述的套筒內徑為126 127 μ m,套筒兩端比光子晶體光纖長周期光柵長2 4cm，長出的部分經預處理有鏤空的網狀結構。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于光子晶體光纖長周期光柵的揮發(fā)性有機物傳感方法及裝置。將光子晶體光纖長周期光柵完全置于套筒內，將兩根單模光纖分別從套筒兩側插入套筒內，與光子晶體光纖長周期光柵的端面接近但不發(fā)生接觸，實現未熔接的光準直，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。光在光子晶體光纖中傳播并經長周期光柵作用，出射光會有諧振峰，諧振波長與光子晶體光纖包層空氣孔內揮發(fā)性有機物的濃度有關，通過監(jiān)測諧振波長的移動可以實現對濃度的檢測。本發(fā)明針對現有揮發(fā)性有機物傳感技術中存在的檢測成本高，難于實現長期重復測量和微量檢測的問題，提供了一種結構緊湊、可長期重復測量、靈敏度高的基于光子晶體光纖長周期光柵的揮發(fā)性有機物傳感方法，以及實現該方法的裝置。
文檔編號G01N21/01GK102914516SQ20121043061
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權日2012年10月26日
發(fā)明者趙春柳, 姬崇軻, 齊亮, 牛犖, 康娟, 金永興 申請人:中國計量學院