[发明专利]基于光子晶体光纤长周期光栅的挥发性有机物传感方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于光子晶体光纤长周期光栅(Photonic crystal fiber-Long period grating，PCF-LPG)的挥发性有机物传感方法，以及实现该方法的装置。

背景技术

挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)是最常见的一类空气污染物，通常指的是沸点在50～250℃，在常温常压下可以形成蒸气的有机物，主要包括苯系物、有机氯化物、氟利昂系列、有机酮类、醇类、胺、醚以及酯类等。VOCs具有毒性、刺激性以及致癌性，会严重破坏环境和人体健康。因此，发展灵敏、快速、准确测定空气中VOCs含量的方法是非常必要的。

在现有的检测方法中，由于光纤的独特优点，例如体积小，损耗低，适于远程检测等，基于光纤的挥发性有机物检测越来越受到人们的重视。基于光纤的挥发性有机物检测方法种类很多，最常见的是基于光谱分析的方法，对待测气体的特征吸收谱线进行检测分析得到待测气体浓度。这种检测方法灵敏度高，响应快，但是常需要特殊的光源来匹配不同种类待测气体的吸收谱范围，因此成本高，限制了其应用范围。基于光纤光栅的挥发性有机物检测也有所报道，待测气体作用于光纤光栅外部，通过影响光纤光栅的纤芯、包层有效折射率引起谐振波长的漂移。但是光栅的刻写会对光纤造成损害，难以长期使用。

针对上述问题，我们提出了基于光子晶体光纤长周期光栅的挥发性有机物传感方法，同时提供了实现该方法的装置。这种传感器结构紧凑，可长期重复测量，便于微量监测，灵敏度高，同时具有光子晶体光纤抗温度干扰的特性，可以很好的实现不同种类挥发性有机物的检测。

发明内容

本发明目的就是解决现有挥发性有机物传感技术中存在的检测成本高，难于实现长期重复测量和微量检测的问题，提供了一种结构紧凑、可长期重复测量、灵敏度高的基于光子晶体光纤长周期光栅的挥发性有机物传感方法，以及实现该方法的装置。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤(1)选择一个输出波长为1500nm至1600nm的宽带光源，两根单模光纤和一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱仪，并利用二氧化碳激光器在光子晶体光纤上刻写一个长周期光栅，制成光子晶体光纤长周期光栅；

步骤(2)将制成的光子晶体光纤长周期光栅完全置于一个内径为126～127μm套筒内，套筒两端比光子晶体光纤长周期光栅长2～4cm，长出的部分经预处理有镂空的网状结构，将两根单模光纤分别从套筒两侧插入套筒内，与光子晶体光纤长周期光栅的端面接近但不发生接触，由于套筒的内径仅比光纤直径大1～2μm，单模光纤与光子晶体光纤长周期光栅能够很好的实现未熔接的光准直，两根单模光纤的另一端分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端口光纤连接；

步骤(3)将步骤(2)中内置好光纤的套筒置于待检测的挥发性有机物环境中。基于光子晶体光纤上刻写有长周期光栅，光在光子晶体光纤中传播并经长周期光栅作用，出射光会有谐振峰，谐振波长与光子晶体光纤包层模和纤芯模的有效折射率有关：

λ＝[n_co(C)-n_c/(C)]Λ

其中n_co(C)为光子晶体光纤芯模的有效折射率，n_cl(C)为光子晶体光纤包层模的有效折射率，它们都与光子晶体光纤包层空气孔内挥发性有机物浓度C有函数关系，Λ为长周期光栅的栅格周期。因此，当挥发性有机物经由套筒的镂空结构处扩散进入套筒内，并进一步扩散进入光子晶体光纤的包层空气孔，会改变包层模和纤芯模的有效折射率，从而观测到谐振波长的变化，通过监测谐振波长的移动可以实现对浓度的检测。

实现本发明方法的装置包括一个宽带光源、两根单模光纤、一段光子晶体光纤长周期光栅、一个套筒和一个光谱仪。将光子晶体光纤长周期光栅完全置于套筒内，将两根单模光纤分别从套筒两侧插入套筒内，与光子晶体光纤长周期光栅的端面接近但不发生接触，实现未熔接的光准直，两根单模光纤的另一端分别与宽带光源的输出端和光谱仪的输入端口光纤连接。

所述的套筒内径为126～127μm，套筒两端比光子晶体光纤长周期光栅长2～4cm，长出的部分经预处理有镂空的网状结构。

本发明所具有的有益效果为：