[发明专利]基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器

说明书

本发明公开了一种基于单模‑多模‑无芯光纤结构的分子态有机污染物监测传感器，包括：单模光纤；多模光纤，其与单模光纤的熔接；表面包覆溶胶‑凝胶二氧化硅薄膜的无芯光纤，其一端与多模光纤的输入端偏心熔接；无芯光纤与多模光纤偏心熔接后的不重叠位置处包覆第一金属膜层，其另一端面附着第二金属膜层。将在线监测传感器置于被监测环境中，当分子态有机污染物浓度发生变化，会导致表面薄膜折射率发生变化，从而引起整个波导结构有效折射率发生变化导致谐振条件发生变化，使马赫‑泽德混合干涉中一干涉臂光程发生变化导致整个波导干涉条件发生变化，最后光谱仪监测输出信号波长，通过对输出信号进行处理即可反推外部环境分子态有机污染物浓度。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于单模-多模-无芯光纤结构的分子态有机污染物在线监测传感器。

背景技术

随着现代技术的迅猛发展，对实验和生产的环境要求越来越高。分子态污染物对半导体生产、医疗、航天领域特别是高功率激光装置等具有相当非常大的影响。一方面分子态有机污染物严重影响半导体成品率；另一方面分子态有机污染物在强激光作用下产生聚集，导致光学元件表面损伤阈值的降低，从而影响整个装置的负载能力。因此对光学元件的制造、清洗、安装以及材料进行了严格的规定，以保证激光装置在安装、运行过程中尽可能减少分子态有机污染物。选材、清洗、安装及运行过程中洁净控制是远远不够的，主要由于高功率激光装置为巨大而复杂的真空系统，需要大量的粘合剂、润滑剂、高分子材料、垫圈等等。在低真空情况下，这些材料会产生可挥发的分子态有机污染物，在强光照射下会加剧这些挥发，这些污染物一方面沉积在光学元件表面形成薄膜，影响光束质量，一另方面吸收光能量产生微爆炸，导致光学元件阈值下降。为保证高功率激光系统的持续稳定工作，必须对激光装置中分子态有机污染物进行在线监测。目前有机污染物的测量方法主要有以下几种方式：(1)气相色谱-质谱联用法。该方法需要用准确度极高，但需要先用洁净采气罐对被测量环境进行气体采集，并需要专业人员利用气相色谱-质谱联用仪进行测量，该种方法费时、费力，分析时间较长，同时无法实现在线监测及真空环境监测需求。(2)石英晶体微平衡法。该方法是一种谐振式测量仪器，配合敏感材料可以进行微质量的测量，成本低廉。但由于该方法是体谐振式传感，受限于谐振频率，其精度为纳克量级，同时该方法实现分布式传感较为困难。(3)声表面波法。该方法谐振频率为百MHz 量级，可以得到比石英晶体微平衡法更高的精度，该方法的表面积较大(几个平方毫米)且对光刻技术要求高。与其他检测方法相比，该种检测方法具有避免二次污染，可在线监测、灵敏度较高、易于扩展、便于集成且与普通光纤易于连接等优点，特别适合在传感领域应用。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于单模-多模 -无芯光纤结构的分子态有机污染物在线监测传感器，包括：

单模光纤，其用于光信号的输入和输出；

多模光纤，其输入端与所述单模光纤的输出端无偏心熔接；

无芯光纤，其一端与所述多模光纤的输出端偏心熔接；所述无芯光纤的表面附着溶胶-凝胶二氧化硅膜层；

其中，所述无芯光纤与多模光纤偏心熔接后的不重叠位置处附着第一金属膜层以反射多模光纤中的光信号；所述无芯光纤的另一端附着第二金属膜层以反射无芯光纤中的光信号。

优选的是，所述单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm。

优选的是，所述多模光纤的长度为3～10mm、直径为125μm、芯径为 50～125μm。

优选的是，所述无芯光纤的长度为3～10mm、直径为20～100μm。

优选的是，所述溶胶-凝胶二氧化硅膜层为铽镝铁溶胶-凝胶二氧化硅膜层。