一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针制造技术

本发明专利技术公开了一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针，由单模光纤以及中央芯区内填充有待测液体的空心光子晶体光纤构成。空心光子晶体光纤沿轴向方向均匀加工微米尺寸的表面微通道，溶解有气体的待测液体可以通过表面微通道进出空心光子晶体光纤中央芯区以及由表面微通道贯穿的包层空气孔。空心光子晶体光纤两端采用四维校准方式与单模光纤对直，利用光纤熔接机实现空心光子晶体光纤与单模光纤的熔接，限制待测液体从空心光子晶体光纤端面进入全部包层空气孔。本发明专利技术所设计的溶解气体原位检测探针可内置于待测液体之中，并可作为激光与待测液体内溶解气体相互作用的腔室，可用于无需液气分离的待测液体内溶解气体光学直接检测。气体光学直接检测。气体光学直接检测。

【技术实现步骤摘要】
一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针


[0001]本专利技术属于光学传感系统
，具体而言，涉及一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针。

技术介绍

[0002]在强电磁干扰环境下，液体中溶解气体的原位检测在制造业、航空航天以及能源领域具有重要意义。例如，电化学合成中溶解气体的测量、等离子体辅助燃烧和催化中对气体的量化、以及锂离子电池电解液中易燃气体的监测等，对优化技术路线以及提供安全管理是非常关键的。
[0003]目前常用的气体检测技术有色谱法、质谱法以及半导体传感技术。色谱法首先需要对待测液体样品取样后进行液气分离（通常耗时数十小时），再对气体进行检测，无法实现液体中溶解气体的直接检测。质谱法则因为强电磁干扰将会严重影响质谱信号的采集，因此无法应用于强电磁干扰环境下的溶解气体检测。而半导体传感技术同样极易受到强电磁干扰，而且受湿度的影响大，使用寿命短，并不利于液体中溶解气体的原位检测。
[0004]近年来，随着各学科间的交叉发展，由于光学方法具有绝缘好、抗强电磁干扰能力强、响应速度快等优点而成为研究热点。常用的光学气体检测方法有激光吸收光谱、激光发射光谱、拉曼散射、法拉第旋转光谱、腔衰荡光谱等。但是现有的光学气体检测技术主要在气相环境中开展，在开展液体中溶解气体检测前同样需要依赖于现有液气分离手段将溶解气体从液体中分离出来。而现有的液气分离技术脱气分散性大，导致监测结果分散性大，难以准确评价溶解气体含量；而且脱气耗时长，极大制约着监测实时性。
[0005]若直接将激光器发出激光入射待测液体样品进行溶解气体光学检测，则需要借助光学透镜将入射激光聚焦至微米量级，而待测液体样品所在空间尺寸一般远大于光束半径。激光光强在液体中传播过程中明显衰减，这是因为光束在液体样品内传播过程中将不可避免地向四周发散，大部分激光不再沿激光入射方向传播，这将导致激光光强沿传播方向大幅下降，因此普遍认为无法在液相环境中开展小浓度溶解气体的光学检测。
[0006]综上所述，针对上述不足，提出一种可以有效束缚激光光束半径的全光纤探针对溶解气体的原位检测十分重要。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提出一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针，其特征在于，该全光纤探针由单模光纤以及中央芯区内填充有待测液体的空心光子晶体光纤构成，激光可以在空心光子晶体光纤中央芯区内低损耗传输，与待测液体内溶解气体充分接触。所述空心光子晶体光纤两端和与之直径接近的单模光纤熔融连接，构成低损耗激光传输路径；在空心光子晶体光纤表面沿轴向方向均匀加工深至空心光子晶体光纤中央芯区的表面微通道；将所述全光纤探针内置于待测液体中，待测液体通过表面微通道进入空心光子晶体光纤中央芯区，激光可以在空心光子晶体光纤中央芯区的待测液体内低损耗传输，
并与待测液体内溶解气体充分接触。
[0008]优选地，所述空心光子晶体光纤中心波长为1550nm，工作波段范围不小于1490~1680 nm，模场直径不大于10μm，以保证全光纤探针的近红外传感需求。
[0009]优选地，所述空心光子晶体光纤具有良好绝缘、抗电磁干扰、耐压、耐腐蚀、耐高温性能，耐受高温不低于150℃，以保证全光纤探针可以内置于待测液体之中。
[0010]优选地，所述空心光子晶体光纤长度不小于0.8m，以保证激光在全光纤探针内足够的吸收光程。
[0011]优选地，所述空心光子晶体光纤与单模光纤通过熔接方式对接，熔接前对空心光子晶体光纤与单模光纤端面间的X
‑
Y
‑
Z轴方向以及水平转角和垂直仰角进行校准，熔接后全光纤探针在波长1550nm处的光连接损耗不大于4dB，空心光子晶体光纤端面包层空气孔熔融封闭，以保证全光纤探针的光传输性能。
[0012]优选地，所述空心光子晶体光纤表面微通道采用聚焦离子束技术进行加工，表面微通道深至空心光子晶体光纤中央芯区，形成连贯的待测液体交换通道，以保证空心光子晶体光纤中央芯区内外待测液体交换需求。
[0013]优选地，所述空心光子晶体光纤表面微通道等间距排布于空心光子晶体光纤表面，所述空心光子晶体光纤表面相邻两表面微通道间距不小于5cm，不大于20cm，以保证全光纤探针的机械强度及空心光子晶体光纤中央芯区内外待测液体交换速度。
[0014]优选地，所述空心光子晶体光纤表面微通道尺寸不超过3μm，单个表面微通道平均损耗不高于0.15dB，以保证全光纤探针的光传输性能。
[0015]激光在所述中央芯区充有待测液体的空心光子晶体光纤内传输时，激光光束半径始终被限制在微米量级，激光光束半径尺寸不大于5μm。
[0016]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：提出一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针，克服现有光学溶解气体检测技术过度依赖液气分离技术、激光光束发散严重无法液相下直接光学检测、不便于内置等缺陷，满足了溶解气体原位检测的特殊要求。具体而言，本专利技术中，空心光子晶体光纤可直接放置于待测液体中，溶解有气体的待测液体可以方便进出空心光子晶体光纤中央芯区，因此空心光子晶体光纤提供了光在待测液体内的低损耗传输路径，光束半径始终被限制在微米量级，可以与空心光子晶体光纤中央芯区内待测液体中溶解气体充分接触；空心光子晶体光纤还被用作进行溶解气体光谱吸收过程的场所，可提供长吸收光程，大幅缩小光谱吸收腔室体积，并且可以有效缩短溶解气体检测周期，便于实现溶解气体的原位检测。
附图说明
[0017]图1为溶解气体原位检测全光纤探针结构示意图。
[0018]图2为空心光子晶体光纤和单模光纤熔融连接示意图。
[0019]图3为空心光子晶体光纤表面微通道示意图。
[0020]图4为加工有表面微通道且内置于待测液体中的空心光子晶体光纤横截面局部结构示意图。
具体实施方式
[0021]本专利技术提出一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针，该全光纤探针由单模光纤以及中央芯区内填充有待测液体的空心光子晶体光纤构成。该全光纤探针以空心光子晶体光纤作为核心元件，克服现有光学溶解气体检测技术检测前均需进行液气分离、激光光束在液体内发散严重、光学吸收腔室体积大等不足，使全光纤探针能够内置于待测液体中。下面从全光纤探针的整体设计和关键环节进行详细说明。
[0022]本专利技术所提出的基于空心光子晶体光纤与单模光纤的溶解气体原位检测的全光纤探针，整体结构示意图如图1所示。空心光子晶体光纤两端和与之直径接近的单模光纤通过光纤熔接机实现熔融连接（如图2所示），构成低损耗激光传输路径，连接损耗不高于4dB；利用聚焦离子束技术在空心光子晶体光纤表面沿轴向方向均匀加工深至空心光子晶体光纤中央芯区的表面微通道（如图3所示），表面微通道尺寸不大于3μm，单个表面微通道引入传输损耗不高于0.15dB；将加工有表面微通道的空心光子晶体光纤内置于待测液体中，待测液体通过表面微通道进入空心光子晶体光纤中央芯区（如图4所示），形成用于溶解气体原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针，其特征在于，该全光纤探针由单模光纤以及中央芯区内填充有待测液体的空心光子晶体光纤构成，激光可以在空心光子晶体光纤中央芯区的待测液体内低损耗传输并与溶解气体充分接触；所述全光纤探针中空心光子晶体光纤两端和与之直径接近的单模光纤熔融连接；在空心光子晶体光纤表面沿轴向方向均匀加工深至空心光子晶体光纤中央芯区的表面微通道；将所述全光纤探针内置于待测液体中，待测液体通过表面微通道进入空心光子晶体光纤中央芯区，激光可以在空心光子晶体光纤中央芯区的待测液体内低损耗传输，并与待测液体内溶解气体充分接触。2.根据权利要求1所述一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针，其特征在于，所述空心光子晶体光纤中心波长为1550nm，工作波段为1490~1680nm，模场直径不大于10μm，以保证全光纤探针的近红外传感需求。3.根据权利要求1所述一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针，其特征在于，所述全光纤探针材料具有良好绝缘、抗电磁干扰、耐压、耐腐蚀、耐高温性能，耐受高温不低于150℃。4.根据权利要求1所述一种无需液气分离的溶解气体原位检测的全光纤探针，其特征在于，所述空心光子晶体光纤与单模光纤通过熔接方式对接，熔接前对空心光子晶体光纤与单模光纤端面间的X

【专利技术属性】
技术研发人员：马国明，王渊，谢洋洋，陈章霖，郑迪雅，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：