面向水污染检测的光纤端面集成荧光和吸收光谱测试装置制造方法及图纸

面向水污染检测的光纤端面集成荧光和吸收光谱测试装置，属光谱学应用和环境监测技术领域。提出一种光纤端面集成的高效光学反馈镜及其制备方法。进一步提出结合该反馈镜的荧光和吸收光谱测试微腔结构的设计及其与光纤端面集成方法。利用光纤传感器的优势，将用于荧光光谱测试的激发光源、用于吸收光谱测试的照明光源以及光谱数据采集功能通过分路光纤合成于光纤端面，并与微腔结构连接，形成传感器探头，实现基于同一探头的光纤传感功能。荧光发射和吸收光谱测试统一于单一器件、实现实时现场检测、元器件的微缩集成和便携式仪器装备构成了该发明专利技术的特色和优势。

Integrated fluorescence and absorption spectrum testing device for optical fiber end faces for water pollution detection

The optical fiber end face integrated fluorescence and absorption spectrum testing device for water pollution detection belongs to the field of spectroscopy application and environmental monitoring technology. A high efficiency optical feedback mirror integrated with fiber end faces and its preparation method are proposed. Further, the design of the microcavity structure and the integration method with the optical fiber end are presented by combining the fluorescence and absorption spectra of the feedback mirror. Using the advantages of optical fiber sensors, the excitation light source, the light source used for absorption spectrum testing and the function of spectral data acquisition are synthesized on the fiber end through the shunt fiber, and the sensor probes are formed with the microcavity structure to realize the optical fiber sensing function based on the same probe. The characteristics and advantages of the fluorescence emission and absorption spectrum test are unified in single device, real time field detection, miniature integration of components and portable instrument equipment.

【技术实现步骤摘要】
面向水污染检测的光纤端面集成荧光和吸收光谱测试装置
本专利技术属于光谱学应用和环境监测
利用光纤传感技术的优势，将荧光光谱和吸收光谱测试技术应用于水质的实时/现场监测和污染评价。
技术介绍
光纤作为一种成熟、稳定、灵活的光波导材料用于通讯信号传输和传感器技术不仅具有对电磁的干扰屏蔽能力，而且对恶劣环境条件具有很强的抗腐蚀、抗干扰功能。特别是在水环境下，不仅可以保持其优异的光学响应特性，而且不受水体深度、分布广度、水环境复杂程度的限制。因此，光纤传感技术是利用光学方法实现水环境质量的评价、水污染程度的检测的理想途径。荧光和吸收光谱检测是水环境质量评价和水污染检测的重要方法，对水中微生物、化学物质的特异性检测和定量分析具有重要意义。而将荧光/吸收光谱检测与光纤传感技术相结合，实现一种针对不同水体、不同污染物的水污染检测技术和水质评价方法，获得一种便携式实时、现场、快速、遥控检测的仪器，对传感器技术和水环境保护领域的发展具有重要促进作用。但目前还未具备具有上述功能和针对水质检测的光纤传感器技术方法和便携式实时、现场检测仪器，以及快速评价方法。
技术实现思路
本专利技术基于上述问题和
技术介绍
，提出将荧光/吸收光谱测试方法和光学系统微缩化后集成于光纤端面，利用光纤的高效、柔性、长距离传输性能和光信号的高可靠性、强抗干扰能力的优势特点，实现一种面向水环境污染检测和污染程度评价的装置和制备方法。面向水污染检测的光纤端面集成荧光和吸收光谱测试装置，其特征在于，包括激发光导入光纤(1)、宽带照明光导入光纤(2)、荧光/反射光导出光纤(3)、光纤束探头(5)、终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构(12)；激发光导入光纤(1)一端的端面通过激发光纤与光源结合端口(6)(如SMA905)与激发光源(9)连接，宽带照明光导入光纤(2)一端的端面通过宽带照明光纤与光源结合端口(7)(如SMA905)与宽带照明光源(10)连接；荧光/反射光导出光纤(3)一端的端面通过荧光/反射光输出光纤与光谱仪结合端口(8)与光谱仪(11)连接；激发光导入光纤(1)的另一端、宽带照明光导入光纤(2)的另一端、荧光/反射光导出光纤(3)的另一端进行合并形成合并光纤束(4)，合并光纤束(4)的端头连接光纤束探头(5)，光纤束探头(5)与终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构(12)装配在一起形成传感器探头(13)；终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构(12)包括紧固件(14)、连接器(15)、样品腔(16)、终端荧光反馈镜(17)、固定螺丝，紧固件(14)为空腔圆柱结构，连接器(15)为外表面具有螺纹的空腔圆柱结构，紧固件(14)和连接器(15)轴向连接固定在一起，紧固件(14)、的外径大于连接器(15)的外径；样品腔(16)为在实体圆柱一端的中心沿径向切除一实体结构形成径向贯通的空腔，空腔只有垂直径向的相对的两个壁和一轴向垂直的壁，垂直径向相对的两个壁面上均具有轴向平行的圆弧凹槽，圆弧凹槽的轴同时与实体圆柱的中心轴平行；形成实体圆柱的另一端沿中心轴开有一通孔，孔的直径与连接器(15)的外直径匹配，连接器(15)伸入到样品腔(16)的中心轴通孔内并通过螺纹固定；终端荧光反馈镜(17)同时作为样品腔底位于样品腔(16)的空腔端通过固定螺丝与样品腔(16)固定连接；紧固件(14)的侧面设有螺孔，可通过固定螺丝将紧固件(14)中心空腔内的光纤束探头(5)紧固。终端荧光反馈镜(17)为在基底上沉积具有高反射率的金属材料或多层介质膜。基底既可采用PDMS、PE等柔性材料，也可采用玻璃、石英透明基片，或表面抛光的金属基片等。其镀膜材料可采用金、银、铝等对可见-近红外具有高反射率的金属材料或采用多层介质膜。终端荧光反馈镜(17)采用平面镜或凹面曲面镜，优选采用凹面曲面镜。凹面曲面镜的制备方法，包括以下步骤：(1)在衬底(A)上制备柱形凹槽(B)；(2)在凹槽(B)中填充PDMS(C)；(3)将金属球(D)压入凹槽中的PDMS中，然后取出金属球(D)，形成与凹槽匹配的曲面形状；(4)加热固化后修整，形成柱形凹槽中柔性曲面镜基体(E)。(5)热蒸镀镀膜材料(F)，制备厚度>50nm的镀膜材料层(G)。上述柱形凹槽(B)的直径、厚度以及金属球(D)的直径根据需要调节。用于荧光发射光谱测试的激发光源(9)可选用紫外、可见波段的激光光源、LED光源等。用于吸收光谱测试的宽带照明光源(10)采用Xe灯、卤素灯、溴钨灯、氘灯等中的一种或几种组合构成的宽带光源。光谱仪可采用各类适用于待测样品荧光发射和光吸收波段的光谱测试设备，其光谱分辨率一般要求小于2nm。待测样品为任意规模的水溶液或非水溶液。液体样品中的荧光物质既包括无机材料，也包括有机分子、微生物、叶绿素、蓝绿藻、蛋白等生物分子等。当待测液体样品对光纤保护层、金属材料或PDMS等高分子材料具有腐蚀作用，且测试要求光纤探头深入液面以下时，可采用对液态样品具有抗腐蚀性能的材料构造探头和光纤束结构。该方法面向水下、实时、现场检测，其应用将面向地表环境水、工业排水、生活用水，以及实验室液态样品的实验研究等。本专利技术的优势特点：1、本专利技术将重点适用于水下长程荧光和吸收光谱测试，为水质评价和水污染检测提供有效工具。2、现场、实时检测，实时数据处理。3、既适用于饮用水源，也适用于工业排水和自然水体。4、小体积、便携设备，将复杂、可靠性差的光学系统微缩集成，易于操作，自动化程度高。5、遥测传感，利于实现多测点、分布式检测，智能数据处理、发送。6、测试方法受环境因素影响小，测试结果稳定、可靠。7、同一系统只需现场切换光源(激发或照明光)，即可实现荧光和吸收光谱两种测试方法。8、反馈镜和传感器探头中的微腔结构设计既定义了反射式光谱学测试方法，也同时实现了一种折叠型光路设计，可以显著增强光与物质的作用距离，从而提高测试灵敏度和信噪比。9、荧光和吸收光谱测试结果同屏显示、对比分析。附图说明图1、终端荧光反馈凹面镜的设计、制作过程示意图。图2、光纤端面集成荧光/吸收光谱激发与采集单元和样品循环腔设计示意图。图3、光纤导光系统设计示意图。图4、面向水下环境检测的光纤端面集成荧光/吸收光谱测试系统。图5、环境水源现场检测具体实施方法示意图。1激发光导入光纤；2宽带照明光导入光纤；3荧光/反射光导出光纤；1’激发光导入光纤端面；2’宽带照明光导入光纤端面；3’荧光/反射光导出光纤端面；4合并光纤束；5光纤束探头；5’光纤束探头端面；6激发光纤与光源结合端口；7宽带照明光纤与光源结合端口；8荧光/反射光输出光纤与光谱仪结合端口；9激发光源；10宽带照明光源；11光谱仪；12终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构；13传感器探头；14紧固件；15连接器；16样品腔；17终端荧光反馈镜；18固定螺丝；19待测水体；20计算机；21控制及通讯传输线。A-金属铝衬底(荧光反射端镜)；B-圆柱形凹槽；C-PDMS；D-金属球；E-成型的PDMS凹面镜基体；F-热蒸镀镀膜材料；G-镀膜材料层。具体实施方案下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1(1)、终端反馈镜的设计、制备方法(附图1)：①金属衬底上制备直径12mm深度2mm的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.面向水污染检测的光纤端面集成荧光和吸收光谱测试装置，其特征在于，包括激发光导入光纤(1)、宽带照明光导入光纤(2)、荧光/反射光导出光纤(3)、光纤束探头(5)、终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构(12)；激发光导入光纤(1)一端的端面通过激发光纤与光源结合端口(6)与激发光源(9)连接，宽带照明光导入光纤(2)一端的端面通过宽带照明光纤与光源结合端口(7)与宽带照明光源(10)连接；荧光/反射光导出光纤(3)一端的端面通过荧光/反射光输出光纤与光谱仪结合端口(8)与光谱仪(11)连接；激发光导入光纤(1)的另一端、宽带照明光导入光纤(2)的另一端、荧光/反射光导出光纤(3)的另一端进行合并形成合并光纤束(4)，合并光纤束(4)的端头连接光纤束探头(5)，光纤束探头(5)与终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构(12)装配在一起形成传感器探头(13)；终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构(12)包括紧固件(14)、连接器(15)、样品腔(16)、终端荧光反馈镜(17)、固定螺丝，紧固件(14)为空腔圆柱结构，连接器(15)为外表面具有螺纹的空腔圆柱结构，紧固件(14)和连接器(15)轴向连接固定在一起，紧固件(14)、的外径大于连接器(15)的外径；样品腔(16)为在实体圆柱一端的中心沿径向切除一实体结构形成径向贯通的空腔，空腔只有垂直径向的相对的两个壁和一轴向垂直的壁，垂直径向相对的两个壁面上均具有轴向平行的圆弧凹槽，圆弧凹槽的轴同时与实体圆柱的中心轴平行；形成实体圆柱的另一端沿中心轴开有一通孔，孔的直径与连接器(15)的外直径匹配，连接器(15)伸入到样品腔(16)的中心轴通孔内并通过螺纹固定；终端荧光反馈镜(17)同时作为样品腔底位于样品腔(16)的空腔端通过固定螺丝与样品腔(16)固定连接；紧固件(14)的侧面设有螺孔，可通过固定螺丝将紧固件(14)中心空腔内的光纤束探头(5)紧固。...

【技术特征摘要】
1.面向水污染检测的光纤端面集成荧光和吸收光谱测试装置，其特征在于，包括激发光导入光纤(1)、宽带照明光导入光纤(2)、荧光/反射光导出光纤(3)、光纤束探头(5)、终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构(12)；激发光导入光纤(1)一端的端面通过激发光纤与光源结合端口(6)与激发光源(9)连接，宽带照明光导入光纤(2)一端的端面通过宽带照明光纤与光源结合端口(7)与宽带照明光源(10)连接；荧光/反射光导出光纤(3)一端的端面通过荧光/反射光输出光纤与光谱仪结合端口(8)与光谱仪(11)连接；激发光导入光纤(1)的另一端、宽带照明光导入光纤(2)的另一端、荧光/反射光导出光纤(3)的另一端进行合并形成合并光纤束(4)，合并光纤束(4)的端头连接光纤束探头(5)，光纤束探头(5)与终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构(12)装配在一起形成传感器探头(13)；终端荧光反馈镜及样品腔集成固定结构(12)包括紧固件(14)、连接器(15)、样品腔(16)、终端荧光反馈镜(17)、固定螺丝，紧固件(14)为空腔圆柱结构，连接器(15)为外表面具有螺纹的空腔圆柱结构，紧固件(14)和连接器(15)轴向连接固定在一起，紧固件(14)、的外径大于连接器(15)的外径；样品腔(16)为在实体圆柱一端的中心沿径向切除一实体结构形成径向贯通的空腔，空腔只有垂直径向的相对的两个壁和一轴向垂直的壁，垂直径向相对的两个壁面上均具有轴向平行的圆弧凹槽，圆弧凹槽的轴同时与实体圆柱的中心轴平行；形成实体圆柱的另一端沿中心轴开有一通孔，孔的直径与连接器(15)的外直径匹配，连接器(15)伸入到样品腔(16)的中心轴通孔内并通过螺纹固定；终端荧光反馈镜(17)同时作为样品腔底位于样品腔(16)的空腔端通过固定螺丝与样品腔(16)固定连接；紧固件(14)的侧面设有螺孔，可通过固定螺丝将紧固件(14)中心空腔内的光纤束探头(5)紧固。2.按照权利要求1所述的面向水污染检测的光纤端面集成荧光和吸收光谱测试装置，其特征在于，终端...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新平，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11