一種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開一種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器，屬于光纖傳感技術領域，是一種能夠對環境中氨氣的濃度測量裝置。包括光源、光纖傳感元件、光譜儀/光功率計和連接用光纖。所述的光源發出的光通過單模光纖注入光纖傳感元件，然后通過輸出單模光纖到達光譜儀/光功率計。當光纖傳感元件位于被測氨氣氣體中，溴甲酚紫膜與氣體的作用，將使得敏感薄膜的光學性質發生變化，引起倏逝場發生變化，同時導模折射率發生變化，因此，布拉格光柵的共振波長將發生漂移。與傳統的光纖布拉格光柵相比，由于其強倏逝場作用，使得布拉格峰對外界環境折射率變化具有高的靈敏度，因此可以廣泛應用于傳感器和惡劣環境中的氨氣測量領域。
【專利說明】
一種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器
技術領域
[0001]本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種獲取氨氣濃度的微納光纖光柵傳感器，其可以及時準確地對工業廢氣、食品和居住空氣等環境中的氨氣氣體濃度信號進行監控與測量。
【背景技術】
[0002]目前許多工業領域、空氣污染、礦井安全等環境中對有害有毒氣體的實施測量與控制非常重要。相比于其它氣體傳感器，光纖氣體傳感器以光纖具有體積小、頻帶寬、傳輸損耗低、抗電磁干擾性強和攜帶的信息量大的特點，由其構成的傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、靈敏度高、便于復用、成網等諸多優點而倍受重視。
[0003]現有的測量技術中，均是根據不同氣體對某種特定波長的吸收情況而對氣體進行定量或定性的分析，該傳感系統復雜、成本較高;一些采用拋光光纖裸露纖芯表面以及通過腐蝕獲得錐形光纖，在一定程度上都破壞了光纖的結構，降低了其機械強度。采用微納光纖光柵作為光纖傳感頭，可以充分利用微納光纖強的倏逝場作用以及光纖光柵的波長選擇特性，大大提高其傳感器的靈敏度，而且具有制作簡單、易于實現等優點。該傳感器集納米功能薄膜的優良特性與微納光纖光柵的優勢于一體，能夠實現分布式測量、易于集成并且遠程傳感，因此具有其他傳感器無可比擬的優勢。目前尚未有結合納米復合結構薄膜的特性與微納光纖光柵的環境敏感特性的傳感器對氨氣濃度等信號感測及分析的方案。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有技術的不足，提供一種結構簡單、響應時間短、靈敏度高且制作方便、成本低廉、易于實施的基于微納光纖光柵的氨氣氣體濃度測量儀。
[0005]本發明具體的技術方案:
[0006]—種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器，包括光源、光纖傳感元件、光譜儀/光功率計和連接用光纖，所述的光源發出的光通過連接用光纖注入光纖傳感元件，然后通過輸出連接用光纖到達光譜儀/光功率計，光纖傳感元件位于被測氨氣氣體中，其中所述的光纖傳感元件為單模一一微納光纖布拉格光柵一一單模結構，光纖傳感元件上設有氧化鈦薄膜和溴甲酚紫膜。
[0007]進一步的，所述的連接用光纖為單模光纖。
[0008]進一步的，所述的光纖傳感元件由兩段單模光纖和位于兩段單模光纖中間的一段微納光纖布拉格光柵通過熔接構成，在微納光纖布拉格光柵上沉積有氧化鈦薄膜，溴甲酚紫膜采用溶膠一凝膠法鍍在所述的氧化鈦薄膜上。
[0009]進一步的，所述的光源為超連續光源或寬帶光源。
[0010]進一步的，所述的微納光纖光柵中的微納光纖是通過光纖火焰拉錐機在普通的單模光纖上拉制而得，微納光纖的錐區直徑為?2.5μπι，長度?3mm，光柵的周期?560nm，長度?112μπι0
[ΟΟ??]進一步的，所述的氧化鈦薄膜的厚度為5nm-10nm，溴甲酸紫膜的厚度為30nm-1OOnm0
[0012]本發明制作的一種基于微納光纖光柵的氨氣傳感器的工作原理為:將單模光纖、微納光纖光柵以及單模光纖按照單模一微納光纖光柵一單模的結構熔接起來，由于微納光纖光柵是利用普通的單模光纖制作而成，所以熔接容易而且由于熔接產生的損耗極低。當入射光從單模光纖進入微納光纖光柵時，滿足相位匹配條件的模式將會形成布拉格峰，微納光纖直徑越小倏逝場的比例就越大，與外界環境物質作用時，也就越容易受到環境物質折射率變化的影響，致使其導模折射率發生變化，從而使布拉格峰發生漂移。
[0013]倏逝場對外界環境的折射率變化有很好的敏感性，當我們在微納光纖光柵上沉積有氧化鈦薄膜，在氧化鈦薄膜上采用溶膠一凝膠法鍍了一層溴甲酚紫膜時，將其置于一定濃度的氨氣中，由于溴甲酚紫膜與氣體的作用，將使得溴甲酚紫膜的光學性質發生變化，從而引起折射率的變化，引起倏逝場發生變化，同時導模折射率發生變化，因此，布拉格光柵的共振波長將發生漂移。
[0014]對氨氣氣體敏感的薄膜材料主要是溴甲酚紫膜，研究表明，當氨氣遇膜層發生反應時，溴甲酚紫膜的顏色隨著濃度的增加由黃變藍，相應的膜層折射率發生變化，致使導模折射率發生變化，根據相位匹配條件λΒ = 2nfund Λ ?可知，對應的布拉格峰將會發生飄移。
[0015]本發明有益效果是:本發明制作的微納光纖布拉格光柵與傳統的光纖布拉格光柵相比，由于其強倏逝場作用，使得布拉格峰對外界環境折射率變化具有高的靈敏度，因此可以廣泛應用于傳感器和惡劣環境中的氨氣測量領域。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明中整體結構示意圖；
[0017]圖2是本發明圖1中光纖傳感元件的結構示意圖；
[0018]圖中:1-單模光纖，2-氧化鈦薄膜和溴甲酚紫膜，3-微納光纖布拉格光柵，4-光源，5-光譜儀/光功率計，6-光纖傳感元件，7-被測氨氣氣體。
【具體實施方式】
[0019]為了更好地說明本發明的目的和優點，下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明。
[0020]參見附圖1，本發明包括光源4，單模光纖1，光纖傳感元件6，光譜儀/光功率計5。所述的光源4過單模光纖I接到光纖傳感元件6上，光纖傳感元件6的另一端與光譜儀/光功率計5連接。
[0021]參見附圖2，光纖傳感元件6是將單模光纖1、微納光纖布拉格光柵3以及單模光纖I按照單模一一微納光纖布拉格光柵一一單模的結構熔接起來，由于微納光纖布拉格光柵3是利用普通的單模光纖制作而成，所以熔接容易而且由于熔接產生的損耗極低，當入射光從單模光纖I進入微納光纖布拉格光柵3時，將會形成布拉格峰，微納光纖直徑越小倏逝場的比例就越大，與外界環境物質作用時，也就越容易受到環境物質折射率變化的影響，致使其導模折射率發生變化，從而使布拉格光柵的共振波長發生漂移。
[0022]倏逝場對外界環境的折射率變化有很好的敏感性，當我們在微納光纖布拉格光柵3上沉積有氧化鈦薄膜，在氧化鈦薄膜上采用溶膠一凝膠法鍍了一層溴甲酚紫膜時，將其置于一定濃度的氨氣中，由于溴甲酚紫膜與氣體的作用，將使得溴甲酚紫膜的光學性質發生變化，從而引起折射率的變化，引起倏逝場發生變化，同時導模折射率發生變化，因此，布拉格光柵的共振波長將發生漂移。
[0023]實施例1
[0024]取一根單模光纖I，然后用剝纖鉗去除單模光纖I的涂覆層，利用光纖火焰拉錐機對去除涂覆層的單模光纖I的區域進行拉錐處理，得到微納光纖，再利用準分子激光器結合相位掩模板法在拉錐區制作微納光纖布拉格光柵3。用光纖熔接機將制作好的微納光纖布拉格光柵3的兩端與兩段單模光纖I連接，然后在微納光纖布拉格光柵3的拉錐區采用磁控濺射鍍膜法沉積氧化鈦薄膜，然后在氧化鈦薄膜上溶膠一凝膠法鍍了一定厚度的溴甲酚紫膜，得到光纖傳感元件6。
[0025]將實施例1中制作的光纖傳感元件6放在含有被測氨氣氣體7的環境中。其原理:由于溴甲酚紫膜與氣體的作用，將使得溴甲酚紫膜的光學性質發生變化，從而引起折射率的變化，引起倏逝場發生變化，同時導模折射率發生變化，因此，微納光纖布拉格光柵3的共振波長將發生漂移。
[0026]本實施在工作范圍內，其靈敏度極高，且結構簡單，易于集成。
[0027]應當明確的是，上述對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明，因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對于本發明做出的顯而易見的改進和修飾都應該在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器，其特征在于:包括光源、光纖傳感元件、光譜儀/光功率計和連接用光纖，所述的光源發出的光通過連接用光纖注入光纖傳感元件，然后通過輸出連接用光纖到達光譜儀/光功率計，光纖傳感元件位于被測氨氣氣體中，其中所述的光纖傳感元件為單模一一微納光纖布拉格光柵一一單模結構，光纖傳感元件上設有氧化鈦薄膜和溴甲酚紫膜。2.根據權利要求1所述的一種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器，其特征在于:所述的連接用光纖為單模光纖。3.根據權利要求1所述的一種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器，其特征在于:所述的光纖傳感元件由兩段單模光纖和位于兩段單模光纖中間的一段微納光纖布拉格光柵通過熔接構成，在微納光纖布拉格光柵上沉積有氧化鈦薄膜，溴甲酚紫膜采用溶膠一凝膠法鍍在所述的氧化鈦薄膜上。4.根據權利要求1所述的一種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器，其特征在于:所述的光源為超連續光源或寬帶光源。5.根據權利要求3所述的一種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器，其特征在于:所述的微納光纖光柵中的微納光纖是通過光纖火焰拉錐機在普通的單模光纖上拉制而得，微納光纖的錐區直徑為?2.5μπι，長度?3mm，光柵的周期?560nm，長度?112μπι06.根據權利要求1所述的一種氧化鈦/溴甲酚紫復合薄膜修飾微納光纖光柵的氨氣傳感器，其特征在于:所述的氧化鈦薄膜的厚度為5nm-10nm，溴甲酸紫膜的厚度為30nm-1OOnm0
【文檔編號】G01N21/41GK105973842SQ201610340079
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】苗銀萍, 何勇, 馬茜茜, 張宏敏
【申請人】天津理工大學