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CN112432912B - 一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置及实现方法 - Google Patents

一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利提供了一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置，它包括ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、传感单元(3)、紫外光(4)、光电转换器(5)、信号处理模块(6)。本发明专利通过光纤进行传感，利用纳米材料折射率和载流子浓度的关系以及微纳光纤倏逝场传感原理，使ASE光源发出的光在传感单元锥区产生干涉光谱，通过对干涉光谱的检测，测量外界紫外光强的变化，并且通过信号处理模块，实现数字输出，达到可以在计算机上显示的目的。本发明降低了传感单元的尺寸，增加了传感的灵敏度，是传感装置能够长期稳定运行。同时可以在主机上输出，实现了对紫外光强的实时监测。

Description

一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置及实现方法
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置。
背景技术
紫外线的波长范围为400nm～10nm，它是一种从可见光到X射线低能量沿的一类电磁波。根据波段不同划分为三个区域，UVA、UVB和UVC。不同区域的紫外光对人类生产和生活均有不同的影响。基于紫外线在不同波长拥有的各种特性，紫外光探测技术被广泛应用于各个领域，例如化学分析、环境分析、生物分析、光皮分析等，同时它的均是上也得到了大量应用，如紫外通信，紫外干扰，紫外制造等。随着科技的快速发展，为了满足人们生活和生产的需要，紫外光电检测技术越来越受到人们的关注和深入研究，特别是在紫外传感应用方面如何提高灵敏度、稳定性、抗干扰能力、反应速度等尤为重要。
紫外技术早在上世纪50年代就已经产生，但灵敏度低一直是紫外探测技术发展应用受到限制的重要原因。1992年，Khan等人成功的研制出第一个GaN基光导型紫外探测器。随后在此基础上，人们对改材料仅限修饰和改造，研究出了AlGaN紫外探测器(MCCLINTOCKR,MAYES K,YASAN A,et al.320×256 solar-blind focal planearraysbased on Al x Ga 1-x N[J].Applied Physics Letters,2005,86(1):011117.)。但是GaN存在成本高昂，辐射强，易损伤等问题。人们提出了与GaN基材料性能十分类似的ZnO作为新的紫外传感材料，ZnO不仅比GaN造价便宜，其耐辐射损伤性也更强且紫外光敏性却远优于GaN。2008年，Jin等人设计了ZnO纳米颗粒紫外光电探测器，获得了61AW -1 的光响应度(JINY,WANG J,SUN B,et al.Solution-processed ultraviolet photodetectorsbased oncolloidal ZnO nanoparticles[J].Nano Letters,2008,8(6):1649-1653.)。此后紫外传感技术迅猛发展，但是传统的紫外探测技术仍然具有仪器脆弱、体积庞大、制作困难、成本高昂、抗性差等局限性。光纤紫外传感器凭借耐腐蚀性强、抗干扰能力强、损耗小、制作简单、成本低、稳定性好、灵敏度高、灵活性强等优点强势活跃在紫外传感的舞台上。2018年，Seo等人设计了一种非蚀刻光纤布拉格光栅，在2.5mW/cm 2 紫外光强下获得2.5nm最大波长漂移。光纤紫外传感技术的探测原理主要是微纳光纤和敏感材料相结合，为了设计出更高性能的紫外传感装置，敏感材料的选择和设计也是也是十分重要的因素。研究人员发现纯净的纳米材料，无论其性能多么的优越，人们生产生活对其日益提升的高需求，仍然存在着局限性。因此，在纯净的纳米材料中掺入不同元素或者是和不同材料进行复合或者复合敏感材料，以达到对纯纳米材料改性使其变成更复合人们更需的新型纳米ZnO材料。
因此，针对传统紫外探测器和纯纳米材料灵敏性低，长期运行稳定性差，成本高，制作困难等问题，提出了一种灵敏度高，稳定性好，成本低廉，制作简单，灵活性好的基于干涉阵列的光纤紫外传感装置。
发明内容
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置，其特征在于：它包括ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、传感单元(3)、紫外光(4)、光电转换器(5)、信号处理模块(6)；
所述传感单元(3)包括第一单模光纤(3-1-1)、多模光纤(3-2)、七芯光纤(3-3)、第二单模光纤(3-1-2)、第一敏感材料(3-4-1)、第二敏感材料(3-4-2)，将第一敏感材料(3-4-1)和第二敏感材料(3-4-2)分别涂覆在多模光纤(3-2)锥区和七芯光纤(3-3)与第二单模光纤(3-1-2)熔接点锥区，其中：
第一单模光纤(3-1-1)、多模光纤(3-2)、七芯光纤(3-3)、第二单模光纤(3-1-2)按顺序从左到右熔接在一起，将多模光纤(3-2)中间位置和七芯光纤(3-3)与第二单模光纤(3-1-2)熔接点进行氢氧焰熔融拉锥，锥区长度为5mm，直径为3.64μm，构成传感单元(3)；
第一敏感材料(3-4-1)和第二敏感材料(3-4-2)为银掺杂氧化锌复合石墨烯，其中银浓度为4％，制备方法为水热法；
传感单元(3)的具体制备过程包括光纤尺寸，熔接方式，拉锥方式，第一敏感材料(3-4-1)、第二敏感材料(3-4-2)的制备和涂覆技术；
其中：光纤的尺寸包括选择的多模光纤(3-2)长度为15mm,七芯光纤(3-3)长度为10mm；
第一单模光纤(3-1-1)、多模光纤(3-2)、七芯光纤(3-3)、第二单模光纤(3-1-2)通过熔接机进行熔接；
传感单元(3)的两个锥区通过氢氧焰熔融进行拉锥；
第一敏感材料(3-4-1)、第二敏感材料(3-4-2)为银掺杂氧化锌复合石墨烯，掺杂浓度为4％，银掺杂氧化锌复合石墨烯制备方法为称取0.6g硝酸锌与50ml去离子水混合配制出0.04mol/L硝酸锌溶液，称取0.0136g硝酸银加入配制好的0.04mol/L硝酸锌溶液中，称取0.28g六次甲基四胺加入50ml去离子水中，称取7.2mg石墨烯加入30ml去离子水中，搅拌10min，超声1h，将上述3种溶液混合，磁力搅拌10分钟，得到银掺杂氧化锌复合石墨烯生长溶液；
第二敏感材料(3-4-2)涂覆技术采用滴涂法，首先将传感单元(3)固定在载波片上，然后用乙醇和去离子水洗涤传感区，用滴管将一小滴所制备的银掺杂氧化锌复合石墨烯生长溶液滴在预准备好的传感单元(3)上，然后将传感单元(3)放入真空烘箱中60℃下5h。
一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的实现方法，其特征在于：ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行多级模式耦合和干涉，形成干涉阵列，输入光从第一单模光纤(3-1-1)中传输至多模光纤(3-2)时，在熔接点处形成模式耦合，多种模式的光在多模光纤(3-2)中传输，同理在下一个多模光纤(3-2)会和七芯光纤(3-3)熔接点处形成更多阶的模式，在七芯光纤(3-3)中传输，最后耦合回第二单模光纤(3-1-2)中输出，不同阶模式的光在七芯光纤(3-3)中传输，对应的传播常数和有效折射率不同，耦合到下一个第二单模光纤(3-1-2)中时发生干涉，七芯光纤中干涉有效折射率的改变与外界环境有直接联系，外界紫外光强的改变会导致干涉谱造成相应的漂移，通过干涉波谷的移动来检测紫外光强度的改变；干涉光通过第二单模光纤(3-1-2)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器(2)传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。
进一步地，所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
进一步地，所述的紫外光(4)为LED紫外灯，中心波长为365nm用于产生紫外光。
进一步地，所述信号处理模块(6)包括A/D模块(6-1)、数据缓冲模块(6-2)、IIC串口(6-3)、主机(6-4)依次相连。
进一步地，所述的信号处理模块(6)由光电转换器(5)产生的模拟信号进入信号处理模块(6)中，通过信号处理模块(6)中的A/D模块(6-1)进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块(6-2)进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口(6-3)传输到主机(6-4)，并在主机(6-4)中显示数据。
结构发明：一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
本发明采用了多光纤结合的传感结构，进行多级耦合形成干涉阵列，极大提高了紫外探测的灵敏度。
本发明对光纤进行微纳设计了双锥结构，基于倏逝场理论，通过微纳光纤表面倏逝场分布的变化而改变输出光强，进而提高传感器的灵敏度。
本发明选择银掺杂氧化锌复合石墨烯，改变纯纳米材料的内部结构进而改变材料的电子结构和光催化性能。当外界紫外光强发生变化时，银掺杂氧化锌复合石墨烯的自由载流子吸收效应和能带填充效应会诱发材料折射率发生变化，进一步提高材料的灵敏度和准确性。
附图说明
图1为一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的结构图。
图2为一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的传感单元结构图。
图3为一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的信号处理模块细节图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明提出的一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的具体实现方式加以说明。
如图1所示，为本发明提供一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的结构图，ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行多级模式耦合和干涉，形成干涉阵列，当照射传感单元(3)的外界紫外光强发生改变时，敏感材料的折射率会发生改变，并且光在传输至不同光纤熔接面时发生模式耦合，产生多阶模式的光，最后发生干涉，通过第二单模光纤(3-1-2)传输到光谱仪出现干涉谱漂移，通过干涉波谷的移动量测量紫外光强的改变量。干涉光通过第二单模光纤(3-1-2)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器(2)传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。
如图2所示，为本发明提供一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的传感单元结构图，第一单模光纤(3-1-1)、多模光纤(3-2)、七芯光纤(3-3)、第二单模光纤(3-1-2)按顺序从左到右熔接在一起，将多模光纤(3-2)中间位置和多模光纤(3-2)与第二单模光纤(3-1-2)熔接点进行氢氧焰熔融拉锥，锥区长度为5mm，直径为3.64μm，构成传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行多级模式耦合和干涉，形成干涉阵列，输入光从第一单模光纤(3-1-1)中传输至多模光纤(3-2)时，在熔接点处形成模式耦合，多种模式的光在多模光纤(3-2)中传输，同理在下一个多模光纤(3-2)和七芯光纤(3-3)熔接点处形成更多阶的模式，在七芯光纤(3-3)中传输，最后耦合回第二单模光纤(3-1-2)中输出。不同阶模式的光在七芯光纤(3-3)中传输，对应的传播常数和有效折射率不同，耦合到下一个第二单模光纤(3-1-2)中时发生干涉。七芯光纤(3-3)中干涉有效折射率的改变与外界环境有直接联系，外界紫外光强的改变会导致干涉谱造成相应的漂移。通过干涉波谷的移动来检测紫外光强度的改变。
如图3所示，为本发明提供一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的信号处理模块细节图。信号处理模块(6)由光电转换器(5)产生的模拟信号进入信号处理模块(6)中，通过信号处理模块(6)中的A/D模块(6-1)进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块(6-2)进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口(6-3)传输到主机(6-4)，并在主机(6-4)中显示数据。实现主机(6-4)输出，进行实时监测。

Claims (6)

1.一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置，其特征在于：它包括ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、传感单元(3)、紫外光(4)、光电转换器(5)、信号处理模块(6)；
所述传感单元(3)包括第一单模光纤(3-1-1)、多模光纤(3-2)、七芯光纤(3-3)、第二单模光纤(3-1-2)、第一敏感材料(3-4-1)、第二敏感材料(3-4-2)，将第一敏感材料(3-4-1)和第二敏感材料(3-4-2)分别涂覆在多模光纤(3-2)锥区和七芯光纤(3-3)与第二单模光纤(3-1-2)熔接点锥区，其中：
第一单模光纤(3-1-1)、多模光纤(3-2)、七芯光纤(3-3)、第二单模光纤(3-1-2)按顺序从左到右熔接在一起，将多模光纤(3-2)中间位置和七芯光纤(3-3)与第二单模光纤(3-1-2)熔接点进行氢氧焰熔融拉锥，锥区长度为5mm，直径为3.64μm，构成传感单元(3)；
第一敏感材料(3-4-1)和第二敏感材料(3-4-2)为银掺杂氧化锌复合石墨烯，其中银浓度为4％，制备方法为水热法；
传感单元(3)的具体制备过程包括光纤尺寸，熔接方式，拉锥方式，第一敏感材料(3-4-1)、第二敏感材料(3-4-2)的制备和涂覆技术；
其中：光纤的尺寸包括选择的多模光纤(3-2)长度为15mm,七芯光纤(3-3)长度为10mm；
第一单模光纤(3-1-1)、多模光纤(3-2)、七芯光纤(3-3)、第二单模光纤(3-1-2)通过熔接机进行熔接；
传感单元(3)的两个锥区通过氢氧焰熔融进行拉锥；
第一敏感材料(3-4-1)、第二敏感材料(3-4-2)为银掺杂氧化锌复合石墨烯，掺杂浓度为4％，银掺杂氧化锌复合石墨烯制备方法为称取0.6g硝酸锌与50ml去离子水混合配制出0.04mol/L硝酸锌溶液，称取0.0136g硝酸银加入配制好的0.04mol/L硝酸锌溶液中，称取0.28g六次甲基四胺加入50ml去离子水中，称取7.2mg石墨烯加入30ml去离子水中，搅拌10min，超声1h，将上述3种溶液混合，磁力搅拌10分钟，得到银掺杂氧化锌复合石墨烯生长溶液；
第二敏感材料(3-4-2)涂覆技术采用滴涂法，首先将传感单元(3)固定在载波片上，然后用乙醇和去离子水洗涤传感区，用滴管将一小滴所制备的银掺杂氧化锌复合石墨烯生长溶液滴在预准备好的传感单元(3)上，然后将传感单元(3)放入真空烘箱中60℃下5h。
2.根据权利要求1所述的一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的实现方法，其特征在于：
ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行多级模式耦合和干涉，形成干涉阵列，输入光从第一单模光纤(3-1-1)中传输至多模光纤(3-2)时，在熔接点处形成模式耦合，多种模式的光在多模光纤(3-2)中传输，同理在下一个多模光纤(3-2)和七芯光纤(3-3)熔接点处形成更多阶的模式，在七芯光纤(3-3)中传输，最后耦合回第二单模光纤(3-1-2)中输出，不同阶模式的光在七芯光纤(3-3)中传输，对应的传播常数和有效折射率不同，耦合到下一个第二单模光纤(3-1-2)中时发生干涉，七芯光纤中干涉有效折射率的改变与外界环境有直接联系，外界紫外光强的改变会导致干涉谱造成相应的漂移，通过干涉波谷的移动来检测紫外光强度的改变；干涉光通过第二单模光纤(3-1-2)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器(2)传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。
3.根据权利要求2所述的一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的实现方法，其特征在于：
所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的实现方法，其特征在于：
所述的紫外光(4)为LED紫外灯，中心波长为365nm用于产生紫外光。
5.根据权利要求2所述的一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的实现方法，其特征在于：
所述信号处理模块(6)包括A/D模块(6-1)、数据缓冲模块(6-2)、IIC串口(6-3)、主机(6-4)依次相连。
6.根据权利要求2所述的一种基于干涉阵列的光纤紫外传感装置的实现方法，其特征在于：
所述的信号处理模块(6)由光电转换器(5)产生的模拟信号进入信号处理模块(6)中，通过信号处理模块(6)中的A/D模块(6-1)进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块(6-2)进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口(6-3)传输到主机(6-4)，并在主机(6-4)中显示数据。
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