基於拉曼散射倏逝場的甲苯乙醇光纖傳感器的製作方法
2023-06-20 21:46:36 1
本發明提出了基於拉曼散射倏逝場的甲苯乙醇光纖傳感器，屬於光纖傳感技術領域。
背景技術：
雙錐形微納光纖是光纖結構拉伸到直徑只有光波長大小的結構。這種雙錐微納結構光波導通過的時候，會在光纖外面與外界產生感應的倏逝波，倏逝波可以與外界的媒質相互作用。
雙錐形微納光纖浸沒在液體中可以產生拉曼非線性的倏逝波，發出的光量子經過拉曼散射，其中的斯託克斯光量子會向著能量更低的光量子轉化並在微納光纖中傳播，於是發出的光量子就會因為拉曼散射而消耗並轉化為斯託克斯光波導模式，因為微納光纖的直徑非常小，只可以一個模式在纖芯裡傳播，如果外界環境中的媒介發生變化，則微納光纖中的斯託克斯的光波導模式會產生變化。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種基於拉曼散射倏逝場的甲苯乙醇光纖傳感器，通過將一定功率的脈衝雷射輸入到微納光纖中，利用拉曼散射的原理，在微納光纖的纖芯傳播斯託克斯模式的光，微納光纖表面傳播的倏逝波與外界的媒介接觸，使得光纖纖芯內傳播的斯託克斯光波模式產生頻移，不同的媒介對纖芯內的斯託克斯光產生不同的影響，光譜的成分也有很多不同之處，利用該特性，可以檢測甲苯-乙醇混合溶液的光譜特性，為物質的檢測提供了一種新的方法。
本發明通過以下技術方案實現：基於拉曼散射倏逝場的甲苯乙醇光纖傳感器，其特徵在於：由微型雷射器(1)、磷酸氧鈦鉀晶體(2)、紅外濾波片(3)、1/2波片(4)、偏振分光鏡(5)、單模濾波器(6)、微納光纖(7)、水槽(8)、光譜分析儀(9)、透鏡(10)和顯微物鏡(11)組成，微型雷射器(1)出光口通過透鏡(10)準直後依次經過磷酸氧鈦鉀晶體(2)二倍頻、紅外濾波片(3)過濾紅外光線、1/2波片(4)、偏振分光鏡(5)，顯微物鏡(11)收集偏振分光鏡(5)的出射光，顯微物鏡(11)出光口與單模濾波器(6)左端連接，單模濾波器(6)右端與微納光纖(7)左端連接，微納光纖(7)浸沒到水槽(8)中並且右端與光譜分析儀(9)連接。
所述的微納光纖(7)型號為28號通訊光纖，通過電腦控制同步電機拉制而成。
所述的單模濾波器(6)是一個拉錐長度超過1釐米直徑為40um的雙錐形光纖。
所述的單模濾波器(6)與微納光纖(7)的距離不超過20cm。
所述微納光纖(7)長度為6cm，直徑為700nm。
所述微型雷射器(1)泵浦波長為532nm。
本發明的工作原理是：入射光在經過磷酸氧鈦鉀晶體(2)實現二倍頻，經過紅外濾波片(3)過濾掉紅外波，經過偏振分光鏡(5)後，為了讓光纖中傳播的模式為he11，於是就加入一個單模濾波器(6)。當調製好的光通過微納光纖(7)後產生倏逝波與水槽(8)中的液體相互作用後，檢測經過微納光纖出來的斯託克斯光譜，對於輸出光的脈衝常數可以表示為：
γ＝gs1pcritl(1)
其中γ≈23，gs1代表拉曼增益，l代表微納光纖(7)的長度，pcrit代表從微納光纖出射的斯託克斯光能量，在本次實驗中gs1＝1.04m-1.w-1。
泵浦源產生的頻率會產生一級斯託克斯模式光，一級的斯託克斯模式會產生拉曼頻移出現二級斯託克斯模式光，以此類推，公式可以表示為：
ωs1＝ωp-vωstokes，ωs2＝ωs1-vωstokes、ωs3＝ωs2-vωstokes，…(2)
其中ωp代表泵浦源角頻率，ωs1、ωs2、ωs3分別代表一級、二級、三級斯託克斯模式角頻率，代表拉曼頻移，在本實驗中，泵浦源的波長為1.06um，工作頻率500hz，脈衝最大半寬度為510ps。
考慮前兩個斯託克斯模式，可以得出耦合波方程，可以表示為：
其中pp、ps1、ps2分別代表泵浦源、一級斯託克斯光、二級斯託克斯光的瞬時功率，z表示以微納光纖為z軸上的坐標長度，於是可以根據此公式可以得出在坐標z＝0時，一級斯託克斯光功率，可以表示為：
其中h代表普朗克常量，δvfwhm代表拉曼光譜的最大半寬度，ps1代表一級斯託克斯光瞬時功率。二級斯託克斯光是由一級斯託克斯光衍生出來，即二級斯託克斯光瞬時功率可以用上式表示，泵浦源就變成了ps1，當外界介質的折射率變化時，相應的斯託克斯光功率與光譜也會有所改變。
本發明的有益效果是：將微納光纖對液體傳感光譜有著明顯的改變。本次實驗對乙醇與甲苯的1∶1混合液體進行了實驗，得到了一系列光譜，光譜的波峰與波谷之間的能量差達到40db，變化非常明顯，這對乙醇-甲苯混合液的檢測提出了新的方法。
附圖說明
圖1是本發明的基於拉曼散射倏逝場的甲苯乙醇光纖傳感器特徵裝置示意圖。
圖2是本發明的微納光纖結構示意圖。
圖3是本發明在測試乙醇時產生的光譜圖。
圖4是本發明在測試乙醇與甲苯的1∶1混合液時產生的光譜圖。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。
參見附圖1，基於拉曼散射倏逝場的甲苯乙醇光纖傳感器，其特徵在於：由微型雷射器(1)出光口通過透鏡(10)準直後依次經過磷酸氧鈦鉀晶體(2)二倍頻、紅外濾波片(3)過濾紅外光線、1/2波片(4)、偏振分光鏡(5)、顯微物鏡(11)收集前一級的入射光，顯微物鏡(11)出光口與單模濾波器(6)左端連接，單模濾波器(6)右端與微納光纖(7)左端連接，微納光纖(7)浸沒到水槽(8)中並且右端與光譜分析儀(9)連接。微納光纖(7)由28號通訊單模光纖在電腦的控制下移動光纖位移平臺，在一定的速度下拉伸並加熱結構的中心部分製作而成，微納光纖(7)浸沒在水槽(8)中。本發明的工作原理是：入射光在經過磷酸氧鈦鉀晶體(2)實現二倍頻，經過紅外濾波片(3)過濾掉紅外波，經過偏振分光鏡(5)後，為了讓光纖中傳播的模式為he11，於是就加入一個單模濾波器(6)。調製好的光通過微納光纖(7)後產生倏逝波與水槽(8)中的液體相互作用，形成不同特性的光波導。
本發明的實驗溫度為23攝氏度；各部分的光纖熔接，採用的光纖熔接機型號為fujikura60s，程序設置是光纖熔接機的標準程序；單模濾波器(6)是一個拉錐長度超過1釐米直徑為40um的雙錐形光纖；單模濾波器(6)與微納光纖(7)的距離不超過20cm；微納光纖(7)長度為6cm，直徑為700nm；微型雷射器(1)泵浦波長為532nm；微納光纖(7)用28號通訊光纖在高溫下，通過電腦操控步進電機拉制而成。圖2為拉制光纖的結構圖，光纖直徑為700nm，光纖兩邊因為加熱拉伸的原因呈現錐形結構。圖3為本發明在測試乙醇產生的光譜圖，在該圖中可以知泵浦光源的波長為532nm，在注入光能量為0.22μj時，在630nm處產生了比較明顯的譜峰，幅值響應達到了30db。圖4為傳感器測試乙醇與甲苯的1∶1混合液中的光譜圖，乙醇與甲苯相似相溶，溶液混合均勻，將該溶液放入比色皿中並浸沒傳感部分，檢測出來的光譜呈現出特定的吸收峰，響應幅度可達到40db，為溶液的檢測提供了新的方法。