[发明专利]基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器

说明书

本发明公开了一种基于锥形细芯光纤的马赫‑曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，包括顺次连接的入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中，干涉臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式；合束器使得从干涉臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中；出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。本发明对干涉臂部分的细芯光纤进行了拉锥处理增加灵敏性，并在处理之后的锥形光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜以提高对氨气的选择性和吸附性能，利用涂覆氧化石墨烯薄膜的细芯光纤与周围环境中的氨气分子相互作用达到优化传感的目的。

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，尤其涉及一种基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器。

背景技术

气体传感在化工业、矿产、实验室安全、健康监测等领域，发挥着极其重要的作用。有毒和挥发性的氨气是工业生产或工业废物中非常常见的成分。根据科学研究，一旦发生氨气泄漏，不仅会造成环境污染，还会对人的眼睛，喉咙，皮肤和呼吸系统造成严重的健康风险。人体长期所处环境氨气浓度允许最大值仅为25ppm，而人体对氨气的嗅觉极限为55ppm。因此有必要开发一种灵敏，紧凑，低成本的氨气传感器，特别适用于室温空气环境。

与电化学气体传感器相比，光纤气体传感器具有良好的抗电磁干扰和抗化学腐蚀性，体积小，灵敏度高，在线监测等特点，受到越来越多的关注。光纤马赫-曾德尔干涉仪将从单独光源发射的光束分成两道传输光束后经过不同路径传播，并与环境介质相互影响产生相对相移变化，最后合并两道传输光束形成干涉。特别是基于马赫-曾德尔干涉仪的新型光纤传感器具有许多优点，例如插入损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。诸多气体传感研究证明，涂有各种材料的光纤气体传感器的传感性能远优于未涂层材料。用于传感涂层的材料包括但不限于金属氧化物及其混合物，石墨烯及其衍生物或其他纳米材料。然而，现有诸多光纤气体传感器存在结构复杂、制备困难、造价昂贵、灵敏度低等缺点，亟须进一步改进。

氧化石墨烯(GO)是石墨烯最重要的衍生物之一。作为一种新型的二维纳米材料，具有大表面积体积和石墨烯快速载流子迁移速度等优异性能。不应忽视的是，石墨烯也有其独特的特性，它在基质平面上含有官能团，如羟基和环氧基，并在边缘含有羰基和羧基等官能团。这使得吸附气体分子的位点成为可能，并且更有利于形成氢键以促进气体分子的吸附。与掺杂金属纳米颗粒的石墨烯材料相比，氧化石墨烯易于制备和涂覆。近年来，出现了许多使用氧化石墨烯的光纤气体传感器。

发明内容

本发明旨在提供一个低成本、易制备、灵敏度高的光纤氨气传感器，提供了基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

基于锥形细芯光纤的马赫-曾德尔干涉仪光纤氨气传感器，包括：入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；干涉臂包括第一干涉臂和第二干涉臂；入射光纤的输出端连接分束器输入端，分束器的输出端连接第一干涉臂和第二干涉臂的输入端，第一干涉臂和第二干涉臂的输出端连接合束器的两个输入端，合束器的输出端与出射光纤的输入端连接；

入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中，干涉臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器使得从干涉臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中，出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到光谱仪中。

进一步地，所述入射光纤由单模光纤构成，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。

进一步地，所述的分束器结构与合束器结构相同，均由30-120μm(优选105μm)的多模光纤构成，长度为1-2mm。

进一步地，所述干涉臂由细芯光纤构成，包括第一干涉臂和第二干涉臂；其中，第一干涉臂由细芯光纤的包层组成，第二干涉臂由细芯光纤的纤芯组成；第一干涉臂与第二干涉臂的长度相等。