[发明专利]光纤微气腔光声池及制备方法和溶解气体检测方法

说明书

本发明公开了一种光纤微气腔光声池及制备方法和溶解气体检测方法，光纤微气腔光声池包括光纤微结构以及位于微结构端面的微气腔，光纤微结构通过在单模光纤一端熔接一段毛细管形成，单模光纤端面镀有金膜；单模光纤另一端通入激光加热金膜，汽化周围液体，形成光纤微气腔光声池。液体中的溶解气体在溶度梯度驱动下扩散进入光声池内，吸收经单模光纤注入光声池的泵浦光，产生光声信号并引起微气腔气‑液界面形变；该形变由光纤注入的另一束检测光检测，并结合气体吸收系数还原出待测溶解气体浓度。本发明中的光纤微气腔光声池制备简单、成本低、体积小，可用于原位、快速的溶解气体检测。

技术领域

本发明涉及痕量气体检测技术领域，具体涉及一种光纤微气腔光声池及制备方法和溶解气体检测方法。

背景技术

痕量气体检测在工业生产、能源开发、生态环境等方面发挥着重要作用。光声光谱技术结合吸收光谱技术与声测量技术，在气体检测方面具有选择性好、灵敏度高、动态范围大、系统结构紧凑等优点，受到研究领域的广泛关注。光声池作为光声气体检测系统的核心器件，是待测气体吸收激光产生光声信号的场所，关系到系统气体检测的精度与响应速度。对于溶解气体检测，由于液体在近红外波段的吸收强，入射到液体中的激光会迅速衰减，极大降低气体检测精度。因此，目前主要采取顶空提取与聚合物膜渗透法对溶解气体进行液气分离。顶空提取方法需要使用载气辅助将待测气体导入光声池中，增加系统的复杂度与体积的同时，将气体传输至光声池的过程会消耗部分时间，降低系统检测速度；聚合物渗透膜虽使用方便、结构紧凑，但自身存在一定厚度，增加溶解气体扩散进入光声池的时间。此外，渗透膜性能易受温度、压强、生物附着物等因素影响，需要定期更换，增加使用成本。为满足实际应用对原位、快速的溶解气体检测需求，需要设计性能优越、结构紧凑的新型光声池。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种光纤微气腔光声池及制备方法和溶解气体检测方法，该光声池通过光学加热汽化液体，在光纤-毛细管端面产生微气腔，利用微气腔气-液界面从液体中分离出待测溶解气体，结合光声光谱技术，实现原位、快响应的溶解气体检测。

根据公开的实施例，本发明首先公开了一种光纤微气腔光声池，所述光声池包括传输光纤、石英毛细管和微气腔，所述传输光纤与石英毛细管熔接形成光纤-毛细管微结构，所述光纤-毛细管微结构的端面镀有光吸收材料，所述传输光纤与石英毛细管浸入液体中，所述微气腔位于石英毛细管内，所述微气腔构成法布里-珀罗腔；所述传输光纤的端面与液体的界面以及所述微气腔与液体的界面分别为法布里-珀罗腔的两个反射面；

所述微气腔在浓度梯度作用下分离液体中的溶解气体，起到渗透膜的作用；同时为气体吸收泵浦光产生光声信号提供场所；所述微气腔构成的法布里-珀罗腔，通过光学干涉方法检测微气腔的气-液界面形变，拾取光声信号。

进一步地，所述传输光纤与石英毛细管以激光加热方式熔接形成光纤-毛细管微结构，其中，加热光的光源为连续或脉冲调制光，波长范围包括可见到红外光波段；所述微气腔通过加热汽化液体形成。

进一步地，所述传输光纤为单模光纤或多模光纤；所述石英毛细管的外径50-250μm，孔径为5-100μm，长度为10-200μm。

进一步地，所述光吸收材料为石墨烯、碳纳米管、金薄膜、银薄膜和纳米颗粒中一种，所述光吸收材料根据材料特性不同通过蒸镀、溅射或者端面涂覆方法与传输光纤的端面结合。

进一步地，所述液体采用水溶液，油或者生物组织液。

进一步地，所述微气腔的长度范围为10-200μm，通过控制石英毛细管的长度与加热光光源的功率、时间进行调节。

根据公开的实施例，本发明还公开了一种光纤微气腔光声池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

通过光纤切割刀在传输光纤一端制作光滑平整的端面；