基於單模‑多模‑無芯光纖結構的分子態有機汙染物監測傳感器的製作方法

2023-04-28 01:17:31

本發明屬於光纖傳感技術領域，具體涉及一種基於單模-多模-無芯光纖結構的分子態有機汙染物在線監測傳感器。

背景技術：

隨著現代技術的迅猛發展，對實驗和生產的環境要求越來越高。分子態汙染物對半導體生產、醫療、航天領域特別是高功率雷射裝置等具有相當非常大的影響。一方面分子態有機汙染物嚴重影響半導體成品率；另一方面分子態有機汙染物在強雷射作用下產生聚集，導致光學元件表面損傷閾值的降低，從而影響整個裝置的負載能力。因此對光學元件的製造、清洗、安裝以及材料進行了嚴格的規定，以保證雷射裝置在安裝、運行過程中儘可能減少分子態有機汙染物。選材、清洗、安裝及運行過程中潔淨控制是遠遠不夠的，主要由於高功率雷射裝置為巨大而複雜的真空系統，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，這些材料會產生可揮發的分子態有機汙染物，在強光照射下會加劇這些揮發，這些汙染物一方面沉積在光學元件表面形成薄膜，影響光束質量，一另方面吸收光能量產生微爆炸，導致光學元件閾值下降。為保證高功率雷射系統的持續穩定工作，必須對雷射裝置中分子態有機汙染物進行在線監測。目前有機汙染物的測量方法主要有以下幾種方式：(1)氣相色譜-質譜聯用法。該方法需要用準確度極高，但需要先用潔淨採氣罐對被測量環境進行氣體採集，並需要專業人員利用氣相色譜-質譜聯用儀進行測量，該種方法費時、費力，分析時間較長，同時無法實現在線監測及真空環境監測需求。(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行微質量的測量，成本低廉。但由於該方法是體諧振式傳感，受限於諧振頻率，其精度為納克量級，同時該方法實現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)且對光刻技術要求高。與其他檢測方法相比，該種檢測方法具有避免二次汙染，可在線監測、靈敏度較高、易於擴展、便於集成且與普通光纖易於連接等優點，特別適合在傳感領域應用。

技術實現要素：

本發明的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，並提供至少後面將說明的優點。

為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種基於單模-多模-無芯光纖結構的分子態有機汙染物在線監測傳感器，包括：

單模光纖，其用於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-凝膠二氧化矽膜層；

其中，所述無芯光纖與多模光纖偏心熔接後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。

優選的是，所述單模光纖的直徑均為125μm、芯徑均為8～10μm。

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

優選的是，所述無芯光纖的長度為3～10mm、直徑為20～100μm。

優選的是，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層為鋱鏑鐵溶膠-凝膠二氧化矽膜層。

優選的是，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層的厚度為1～10μm；所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層採用提拉鍍膜法附著在無芯光纖的表面。

優選的是，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層為空心球二氧化矽膜層；所述提拉鍍膜法的過程為：配製濃度為3～5wt％的空心球二氧化矽膠體，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行提拉鍍膜；所述空心球二氧化矽膠體的製備方法為：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，然後加入到150～200份乙醇中，然後在3～5小時內將1～3份正矽酸乙酯加入，繼續攪拌3～5小時，靜置1～3天，得到空心球二氧化矽膠體。

優選的是，所述單模光纖與多模光纖採用光纖熔接技術進行無偏心熔接；所述無芯光纖與多模光纖採用光纖熔接技術進行偏心熔接。

優選的是，所述第一金屬膜層的厚度大於50nm，其採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於50nm，其採用真空濺射方法附著在無芯光纖的另一個端面上。

優選的是，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層採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％的二氧化矽膠體注入帶不鏽鋼噴頭的噴射容器內，然後用高壓電源將電壓施加在不鏽鋼噴頭上，並利用與噴射容器連接的推進泵將噴射容器內的二氧化矽膠體通過不鏽鋼噴頭噴射至旋轉的無芯光纖接收裝置上，所述靜電紡絲的噴射條件為：環境溫度為40～60℃、高壓電源的輸出電壓為15～25kv、無芯光纖與不鏽鋼噴頭之間距離為15～20cm、流速為10～20ml/h、無芯光纖接收裝置的旋轉速度為50～150r/min。

本發明至少包括以下有益效果：本發明的分子態有機汙染物在線監測傳感器，當超輻射發光二極體發出的光在單模光纖中傳輸，並進入多模光纖中傳輸，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，第二部分進入無芯光纖中傳輸，並在無芯光纖的末端被第二金屬膜層反射，反射光進入多模光纖中與無芯光纖中的反射光進行幹涉，幹涉光通過單模光纖輸出；當被監測環境中的分子態有機汙染物導致無芯光纖表面的溶膠-凝膠二氧化矽膜層折射率發生變化，進而影響幹涉光的諧振波長位移，通過波長偏移量反推分子態有機汙染物濃度。

本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明：

圖1為本發明基於單模-多模-無芯光纖結構的分子態有機汙染物在線監測傳感器的結構示意圖；

圖2示出了本發明的傳感器結構對汙染物的響應光譜圖。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如「具有」、「包含」以及「包括」術語並不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

圖1示出了本發明的一種基於單模-多模-無芯光纖結構的分子態有機汙染物在線監測傳感器，包括：單模光纖1，其用於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-凝膠二氧化矽膜層4；

其中，所述無芯光纖3與多模光纖2偏心熔接後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。

在這種技術方案中，當超輻射發光二極體發出的光在單模光纖中傳輸，並進入多模光纖中傳輸，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，第二部分進入無芯光纖中傳輸，並在無芯光纖的末端被第二金屬膜層反射，反射光進入多模光纖中與多模光纖中的反射光進行幹涉，幹涉光通過單模光纖輸出；當將附著有溶膠-凝膠二氧化矽膜層的分子態有機汙染物在線監測傳感器置於被監測環境中，分子態有機汙染物濃度會導致有無芯光纖折射率發生變化，使馬赫-澤德混合幹涉中一幹涉臂光程發生變化導致整個波導幹涉條件發生變化，最後信號並被光譜儀接收，通過對接收信號進行處理即可反推外部環境分子態有機汙染物濃度；圖2示出了本發明的傳感器結構對汙染物的響應光譜圖；

在上述技術方案中，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層的厚度為1～10μm，所述敏感膜層為溶膠-凝膠二氧化矽膜層；採用這種材料層，可使有機汙染物在無芯光纖表面產生富集，影響波導結構的折射率。

在上述技術方案中，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層採用提拉法附著在無芯光纖的表面。採用這種方式，溶膠-凝膠二氧化矽膜層能夠牢固的連接在多模光纖的表面，並且能夠提高分子態有機汙染物在線監測精度。

在在上述技術方案中，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層為空心球二氧化矽膜層；所述提拉鍍膜法的過程為：配製濃度為3wt％的空心球二氧化矽膠體，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行提拉鍍膜；所述空心球二氧化矽膠體的製備方法為：按重量份，取0.1份聚丙烯酸溶解在5份的氨水溶液中，然後加入到150份乙醇中，然後在3小時內將1份正矽酸乙酯加入，繼續攪拌3小時，靜置1天，得到空心球二氧化矽膠體。

在另一種技術方案中，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層為空心球二氧化矽膜層；所述提拉鍍膜法的過程為：配製濃度為5wt％的空心球二氧化矽膠體，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行提拉鍍膜；所述空心球二氧化矽膠體的製備方法為：按重量份，取0.5份聚丙烯酸溶解在10份的氨水溶液中，然後加入到200份乙醇中，然後在5小時內將3份正矽酸乙酯加入，繼續攪拌5小時，靜置3天，得到空心球二氧化矽膠體。

在上述技術方案中，所述單模光纖與多模光纖採用光纖熔接技術進行無偏心熔接；所述無芯光纖與多模光纖採用光纖熔接技術進行偏心熔接。採用這種方式，能夠將光信號分為兩部分進行傳輸，提高了分子態有機汙染物在線監測精度。

在上述技術方案中，所述第一金屬膜層的厚度大於50nm，其採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於50nm，其採用真空濺射方法附著在無芯光纖的另一個端面上，採用這種附著方式，使金屬膜層能夠牢固的連接，並準確的對光信號進行反射，提高了分子態有機汙染物在線監測精度。

在另一種技術方案中，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層採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％的二氧化矽膠體注入帶不鏽鋼噴頭的噴射容器內，然後用高壓電源將電壓施加在不鏽鋼噴頭上，並利用與噴射容器連接的推進泵將噴射容器內的二氧化矽膠體通過不鏽鋼噴頭噴射至旋轉的無芯光纖接收裝置上，使無芯光纖表面附著二氧化矽纖維膜層；所述靜電紡絲的噴射條件為：環境溫度為40℃、高壓電源的輸出電壓為15kv、無芯光纖與不鏽鋼噴頭之間距離為15cm、流速為10ml/h、無芯光纖接收裝置的旋轉速度為50r/min。

在另一種技術方案中，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層採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％的二氧化矽膠體注入帶不鏽鋼噴頭的噴射容器內，然後用高壓電源將電壓施加在不鏽鋼噴頭上，並利用與噴射容器連接的推進泵將噴射容器內的二氧化矽膠體通過不鏽鋼噴頭噴射至旋轉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矽纖維膜層；所述靜電紡絲的噴射條件為：環境溫度為60℃、高壓電源的輸出電壓為25kv、無芯光纖與不鏽鋼噴頭之間距離為20cm、流速為20ml/h、無芯光纖接收裝置的旋轉速度為150r/min。

在另一種技術方案中，所述溶膠-凝膠二氧化矽膜層採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％的二氧化矽膠體注入帶不鏽鋼噴頭的噴射容器內，然後用高壓電源將電壓施加在不鏽鋼噴頭上，並利用與噴射容器連接的推進泵將噴射容器內的二氧化矽膠體通過不鏽鋼噴頭噴射至旋轉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矽纖維膜層；所述靜電紡絲的噴射條件為：環境溫度為50℃、高壓電源的輸出電壓為20kv、無芯光纖與不鏽鋼噴頭之間距離為18cm、流速為15ml/h、無芯光纖接收裝置的旋轉速度為100r/min。

採用本發明的靜電紡絲方法使二氧化矽溶膠以微納纖維的形式附著在無芯光纖表面，二氧化矽纖維膜層的比表面積大，對有機汙染物的吸附效果更好，使有機汙染物的檢測效果更優。

儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。