基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及有機物檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置及其制造方法。本發(fā)明的目的在于：提供一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機物檢測裝置及其制造方法，實現(xiàn)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。本發(fā)明通過在光纖上設(shè)置一拉錐區(qū)，并在該拉錐區(qū)設(shè)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(xiàn)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)性有機物檢測裝置及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有機物檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前大氣污染日益嚴重，其中揮發(fā)性有機化合物(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)性有機化合物主要包括苯系物、有機氯化物、有機酮、醇、胺、醚等，其中苯系物已經(jīng)被確定為致癌物質(zhì)。1984年，揮發(fā)性有機化合物就被世界衛(wèi)生組織列出，并引起廣泛的關(guān)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)性有機化合物污染問題，并出臺了相關(guān)法律法規(guī)，嚴格控制揮發(fā)性有機化合物排放，防治環(huán)境污染，保障生態(tài)安全和人體健康。由于揮發(fā)性有機化合物對人體健康的影響與其濃度有直接關(guān)系，在許多領(lǐng)域，如化工產(chǎn)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)性有機化合物濃度非常必要，對環(huán)境保護和安全生產(chǎn)具有重要意義。
[0003]氣相色譜和質(zhì)譜分析可以測定有機物濃度，結(jié)果可靠準(zhǔn)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(xiàn)場的實時連續(xù)檢測。目前，市場上出現(xiàn)的商業(yè)便攜式揮發(fā)性有機化合物探測器基本都是依據(jù)光離子化檢測原理，此原理可以檢測極低濃度的揮發(fā)性有機化合物，但是紫外燈發(fā)出的能量決定了它所能測定的物質(zhì)種類是有限的，微弱信號檢測電路的設(shè)計是硬件電路設(shè)計中的一大難點，同時價格也比較昂貴。
[0004]揮發(fā)性有機化合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)性有機化合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(guān)注。根據(jù)光與氣體的相互作用可以把揮發(fā)性有機化合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(biāo)準(zhǔn)通信單模光纖(SMF)，將光纖端面切平并鍍上化學(xué)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(xiàn)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(lǐng)域受到人們的重視和研究，特別在傳感領(lǐng)域。LPFG是同向傳輸?shù)睦w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(dǎo)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(xiàn)氣體傳感。但傳統(tǒng)單模光纖LPFG的揮發(fā)性有機化合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)性有機化合物目標(biāo)物來實現(xiàn)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)性有機化合物氣體進行檢測，不能實現(xiàn)揮發(fā)性有機化合物總量檢測。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(dǎo)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于:提供一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置及其制造方法，實現(xiàn)通過讓空氣中的揮發(fā)性有機化合物與光纖倏逝場直接作用的方式對空氣中的揮發(fā)性有機化合物進行檢測。
[0007]本發(fā)明提供了 一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置，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(shè)置有長周期光纖光柵；
[0010]所述拉錐區(qū)固定在一氣室內(nèi)，所述氣室用于通入待檢測氣體；
[0011]所述光譜儀根據(jù)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)性有機化合物濃度。
[0012]進一步地，所述寬帶光源為自發(fā)輻射光源。
[0013]本發(fā)明還提供了另一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置，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(shè)置有長周期光纖光柵；
[0017]所述拉錐區(qū)固定在一氣室內(nèi)，所述氣室用于通入待檢測氣體；
[0018]所述光譜儀根據(jù)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)性有機化合物的濃度。
[0019]進一步地，所述寬帶光源為自發(fā)輻射光源。
[0020]本發(fā)明提供了一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置的制造方法，包括如下步驟:
[0021]I)將單模光纖的一段加熱形成一軟化區(qū)；
[0022]2)將所述軟化區(qū)沿所述單模光纖的軸向拉錐形成一拉錐區(qū)；
[0023]3)在所述拉錐區(qū)設(shè)置長周期光纖光柵；
[0024]4)將所述拉維區(qū)固定在一氣室中；
[0025]5)將該單模光纖的兩端分別連接寬帶光源和光譜儀。
[0026]進一步地，所述加熱為通過氫氧焰加熱。
[0027]進一步地，所述步驟3)為通過飛秒激光器在所述拉錐區(qū)設(shè)置長周期光纖光柵。
[0028]本發(fā)明還提供了另一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置的制造方法，包括如下步驟:
[0029]I)將光子晶體光纖的一段加熱形成一軟化區(qū)；
[0030]2)將所述軟化區(qū)沿所述光子晶體光纖的軸向拉錐形成一拉錐區(qū)；
[0031]3)在所述拉錐區(qū)設(shè)置長周期光纖光柵；
[0032]4)將第一單模光纖和第二單模光纖分別熔接在所述光子晶體光纖的兩端；
[0033]5)將所述拉錐區(qū)固定在一氣室中；
[0034]6)將所述第一單模光纖及所述第二單模光纖分別連接一寬帶光源及一光譜儀。
[0035]進一步地，所述加熱為通過氫氧焰加熱。[0036]進一步地，所述步驟3)為通過飛秒激光器在所述拉錐區(qū)設(shè)置長周期光纖光柵。
[0037]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過在光纖上設(shè)置一拉錐區(qū)，并在該拉錐區(qū)設(shè)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(xiàn)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)性有機化合物濃度的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1:本發(fā)明實施例1提供的一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置示意圖；
[0039]圖2:本發(fā)明實施例1提供的另一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0040]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0041]圖1為本發(fā)明所提供的一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置示意圖。根據(jù)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 ；
[0042]單模光纖I上具有一拉錐區(qū)4，拉錐區(qū)4設(shè)置有長周期光纖光柵5 ；
[0043]拉錐區(qū)4固定在一氣室6內(nèi)，氣室6用于通入待檢測氣體；
[0044]氣室6上設(shè)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。
[0045]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(nèi)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)性有機化合物。
[0046]氣室6中，待檢測氣體中揮發(fā)性有機化合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)性有機化合物的濃度。
[0047]光譜儀3根據(jù)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)性有機化合物的濃度。
[0048]該檢測裝置的制造包含如下步驟:
[0049]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(zhì)。
[0050]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 ；
[0051]3)在拉錐區(qū)4設(shè)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?qū)す猱a(chǎn)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(diào)制就可形成長周期光纖光柵。
[0052]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(chǎn)生其他揮發(fā)性成分對氣室6中的待檢測氣體成分產(chǎn)生影響。[0053]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。
[0054]圖2為本發(fā)明所提供的另一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置示意圖。根據(jù)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 ；
[0055]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 ；
[0056]光子晶體光纖9上具有一拉錐區(qū)4，拉錐區(qū)4設(shè)置有長周期光纖光柵5 ；
[0057]拉錐區(qū)4固定在一氣室6內(nèi)，氣室6用于通入待檢測氣體；
[0058]氣室6上設(shè)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。
[0059]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(nèi)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)性有機化合物。
[0060]氣室6中，待檢測氣體中揮發(fā)性有機化合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)性有機化合物的濃度。
[0061]光譜儀3根據(jù)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)性有機化合物的濃度。
[0062]該檢測裝置的制造包含如下步驟:
[0063]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(zhì)。
[0064]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 ；
[0065]3)在拉錐區(qū)4設(shè)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?qū)す猱a(chǎn)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(diào)制就可形成長周期光纖光柵。
[0066]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；
[0067]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(chǎn)生其他揮發(fā)性成分對氣室6中的待檢測氣體成分產(chǎn)生影響。
[0068]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。
[0069]本發(fā)明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?nèi)魏晤~外的化學(xué)敏感膜，實現(xiàn)了高靈敏度的揮發(fā)性有機化合物氣體總量檢測。
[0070]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置，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(shè)置有長周期光纖光柵； 所述拉錐區(qū)固定在一氣室內(nèi)，所述氣室用于通入待檢測氣體； 所述光譜儀根據(jù)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)性有機化合物濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置，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)性有機化合物檢測裝置，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(shè)置有長周期光纖光柵； 所述拉錐區(qū)固定在一氣室內(nèi)，所述氣室用于通入待檢測氣體； 所述光譜儀根據(jù)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)性有機化合物的濃度。
4.如權(quán)利要求3所述的基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置，其特征在于，所述寬帶光源為自發(fā)輻射光 源。
5.一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置的制造方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將單模光纖的一段加熱形成一軟化區(qū)； 2)將所述軟化區(qū)沿所述單模光纖的軸向拉錐形成一拉錐區(qū)； 3)在所述拉錐區(qū)設(shè)置長周期光纖光柵； 4)將所述拉維區(qū)固定在一氣室中； 5)將該單模光纖的兩端分別連接寬帶光源和光譜儀。
6.如權(quán)利要求5所述的基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置的制造方法，其特征在于，所述加熱為通過氫氧焰加熱。
7.如權(quán)利要求5所述的基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置的制造方法，其特征在于，所述步驟3)為通過飛秒激光器在所述拉錐區(qū)設(shè)置長周期光纖光柵。
8.一種基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置的制造方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將光子晶體光纖的一段加熱形成一軟化區(qū)； 2)將所述軟化區(qū)沿所述光子晶體光纖的軸向拉錐形成一拉錐區(qū)； 3)在所述拉錐區(qū)設(shè)置長周期光纖光柵； 4)將第一單模光纖和第二單模光纖分別熔接在所述光子晶體光纖的兩端； 5)將所述拉錐區(qū)固定在一氣室中； 6)將所述第一單模光纖及所述第二單模光纖分別連接一寬帶光源及一光譜儀。
9.如權(quán)利要求8所述的基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置的制造方法，其特征在于，所述加熱為通過氫氧焰加熱。
10.如權(quán)利要求8所述的基于光纖倏逝場的揮發(fā)性有機化合物檢測裝置的制造方法，其特征在于，所述步驟3)為.通過飛秒激光器在所述拉錐區(qū)設(shè)置長周期光纖光柵。
【文檔編號】G01N21/25GK103439262SQ201310298064
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月16日
【發(fā)明者】于永芹, 李學(xué)金, 歐志龍, 歐召芳, 徐曉梅, 洪學(xué)明, 黃權(quán)東, 陳雪 申請人:深圳大學(xué)