CN109655159A - 基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器，包括依次连接的光源、引入单模光纤、第一细芯光纤、空芯光纤、Al2O3/ZnO、第二细芯光纤、引出单模光纤和光谱仪，其光源为宽带光源，中心波长为1550nm；引入单模光纤用于接收和传输光源的光，并将其传输给第一细芯光纤；第一细芯光纤与引入单模光纤相对准熔接，产生干涉，并将干涉信号模式耦合至空芯光纤；空芯光纤内部设置Al2O3/ZnO，其两端于第一细芯光纤和第二细芯光纤相对准熔接，并将干涉信号引出单模光纤输出；光谱仪对引出单模光纤的干涉模式执行光谱检测，并获得传感数据。本发明还公开了相应的制作方法。据本发明借助于Al2O3/ZnO增强对紫外的吸收性，显著提高***灵敏度，获得制作简单、便于封装的光纤紫外传感器。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器及其制作方法。
背景技术
紫外检测在广泛的民用和军用应用中发挥着重要作用，包括化学和生物分析、火焰探测、卫星通信、发射器校准和天文研究。传统的紫外检测器是使用光电倍增管完成的，这种管易碎，体积大，质量重且成本高。然而对于宽禁带半导体ZnO受到研究者越来越多的关注，其作为一种独特的光电材料，在太阳能电池、激光器、透明电极和发光二极管中都有明显的带隙、高光学增益和高透射率。光纤传感器由于体积小、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强，因此可以克服传统的电学传感器存在的不能在电磁干扰、高温等环境工作的不足。
ZnO纳米材料具有化学稳定性、低毒性、压电性和光致发光特性，相对于现有的紫外探测器件，光纤传感器主要是利用纳米材料涂覆光纤而制作成的传感器，目前已实现各种参数的测量，如：温度、磁场强度、浓度等。但是对于紫外光纤传感器报道较少，现有技术中，Azad等（“Azad S , Parvizi R , Sadeghi E . Side-detecting optical fibercoated with Zn(OH)2 nanorods for ultraviolet sensing applications”, LaserPhysics, 2017, 27(9):095901.）报道了基于Zn(OH)2纳米棒的光纤紫外传感器，即通过化学腐蚀法在多模微纳光纤上生长Zn(OH)2纳米棒，这种结构在制作微纳光纤过程中存在一定的安全隐患，而且会相应的造成光纤传感器件的成功率低、难以封装等问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷以及改进需要，本发明提供了一种基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器及其制作方法，其目的在于通过对光纤干涉性质的研究并对其灵敏部件的设计，由此有效的避开传感器锥体制作带来的封装困难的问题，同时Al2O3/ZnO复合材料增强对紫外的吸收性能，以此制备出高选择性及高灵敏性的光纤紫外传感器。
按照本发明的一个方面，提供了基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器，其特征在于，该传感器包括依次连接的光源（1）、引入单模光纤（2）、第一细芯光纤（3）、空芯光纤（4）、Al2O3/ZnO复合材料（5）、第二细芯光纤（6）、引出单模光纤（7）和光谱仪（8），其中：
所述光源（1）为宽带光源，中心波长为1550nm，用于产生光信号；
所述引入单模光纤（2）用于接收和传输光源（1）的光，并将其传输给第一细芯光纤（3）；
所述第一细芯光纤（3）与引入单模光纤（2）相对准熔接，用于产生干涉，并将干涉信号的模式耦合至空芯光纤（4）；
所述空芯光纤（4）在其内部设置有Al2O3/ZnO复合材料（5），其两端分别于第一细芯光纤（3）和第二细芯光纤（6）相对准熔接，并将干涉信号通过引出单模光纤（7）输出；
所述光谱仪（8）对引出单模光纤（7）所输出的干涉模式执行透射光谱检测，并根据检测结构相应的获得传感数据。
作为进一步优选地，所述第一细芯光纤（3）和第二细芯光纤（6）长度被设定为1.5cm。
作为进一步优选地，所述空芯光纤（4）内生长Al2O3/ZnO复合材料（5），其长度设定为2cm。
作为进一步优选地，所述在空芯光纤（4）的内部生长Al2O3/ZnO复合材料（5）的方法是：利用水热法将生长混合溶液在反应釜200℃生长20小时后，通过去离子水多次洗涤在真空冷冻干燥24小时后，将其粉状物在1200℃下煅烧3小时得到Al2O3粉末，将其作为原料以1%-5%填充到水热法制备的ZnO溶液中，将清洁后的空芯光纤（4）浸入水热法制备的1%-5%的混合溶液中100℃生长10小时后，通过60℃干燥处理使得Al2O3/ZnO复合材料（5）生长在空芯光纤（4）的内部，形成350-400nm的Al2O3/ZnO复合材料（5）。
按照本发明的另一方面，还提供了相应的光纤紫外传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1) 利用水热法将生长混合溶液在反应釜200℃生长20小时后，通过去离子水多数洗涤在真空冷冻干燥24小时后，将其粉状物在1200℃下煅烧3小时得到Al2O3粉末，将其作为原料以1%-5%填充到水热法制备的ZnO溶液中，将清洁后的空芯光纤（4）浸入水热法制备的1%-5%的混合溶液中100℃生长10小时后，通过60℃干燥处理使得Al2O3/ZnO复合材料（5）生长在空芯光纤（4）的内部，形成350-400nm的Al2O3/ZnO复合材料（5）；
(2) 采用光纤熔接机的自定义模式，调节放电强度为3500 bit，放电时间为2000ms，将引入单模光纤（2）的一端以纤芯对准的方式熔接第一细芯光纤（3），然后在第一细芯光纤（3）的另一端继续以纤芯对准的方式熔接空芯光纤（4），其次在空芯光纤（4）的另一端纤芯对准的方式熔接第二细芯光纤（6），最后在第二细芯光纤（6）的另一端纤芯对准的方式熔接引出单模光纤（7）；
(3) 将完成上述熔接后的光纤元件与光源（1）、光谱仪（8）相连，由此完成整个光纤紫外传感器的制备过程。
作为进一步优选地，在步骤（1）中，所述空芯光纤（4）的长度被设定为2cm。
作为进一步优选地，在步骤（2）中，所述第一细芯光纤（3）和第二细芯光纤（6）长度被设定为1.5cm。
总体而言，按照本发明的基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器及其制作方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1. 通过在传感元件中增加空芯光纤，可以使光能量尽可能集中在光纤的边缘部位，并且在空芯光纤内部加入Al2O3/ZnO复合材料，可以获得更好的紫外传感效果；
2. 所设计的传感器结构为5段式结构，其在空芯光纤的两侧引入细芯光纤构成三明治结构，可以改变细芯光纤与空芯光纤之间的耦合效率；
3. 按照本发明所构造的光纤传感器可以仅用制作方法简单的水热法和常规的光纤熔接机即可完成整个制作过程，可重复性强、便于操控、成本低，而且无需偏移熔接就可得到很好的透射光谱，可适用于大规模的生产用途。
附图说明
图1是按照本发明的基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器的整体构造示意图；
图2用于进一步具体显示按照本发明的引入单模光纤、第一细芯光纤、空芯光纤、Al2O3/ZnO复合材料、第二细芯光纤与引出单模光纤的具体示意图。
图中标号：1光源，2引入单模光纤，3第一细芯光纤，4空芯光纤，5 Al2O3/ZnO复合材料，6第二细芯光纤，7引出单模光纤，8光谱仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
图1是按照本发明的基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器的整体构造示意图。如图1所示按照本发明所构建的基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器主要包括依次连接的光源1、引入单模光纤2、第一细芯光纤3、空芯光纤4、Al2O3/ZnO复合材料5、第二细芯光纤6、引出单模光纤7和光谱仪8。其中光源1为宽带光源，中心波长为1550nm，用于产生光信号；引入单模光纤2用于接收和传输光源1的光，并将其传输给第一细芯光纤3；第一细芯光纤3与引入单模光纤2相对准熔接，用于产生干涉，并将干涉信号的模式耦合至空芯光纤4；空芯光纤4在其内部设置有Al2O3/ZnO复合材料5，其两端分别于第一细芯光纤3和第二细芯光纤6相对准熔接，并将干涉信号通过引出单模光纤7输出；光谱仪8对引出单模光纤7所输出的干涉模式执行透射光谱检测，并根据检测结构相应的获得传感数据。
具体而言，按照本发明的光纤紫外传感器中以供包括两段单模光纤，分别为引入单模光纤2和引出单模光纤7，此外还增设两段细芯光纤及一段空芯光纤，分别为第一细芯光纤3、第二细芯光纤6和空芯光纤4。光源1发出的光信号经过引入单模光纤2进入第一细芯光纤3中，然后再进入与第一细芯光纤3熔接的空芯光纤4中，经过第二细芯光纤6进入引出单模光纤7，最后光信号进入光谱仪8。
按照本发明的一个优选实施方式，所述第一细芯光纤3和第二细芯光纤6长度被设定为1.5cm，空芯光纤4长度设定为2cm。较多测试表明，空芯光纤4的长度影响着光能量分布情况，并决定光纤熔接之间的耦合强度。
为了提高传感器对紫外的灵敏性，本实施中将空芯光纤4的内部生长Al2O3/ZnO复合材料5，采用制备方法简单的水热法生长Al2O3/ZnO复合材料5。具体方式是：利用水热法将生长混合溶液在反应釜200℃生长20小时后，通过去离子水多数洗涤在真空冷冻干燥24小时后，将其粉状物在1200℃下煅烧3小时得到Al2O3粉末，将其作为原料以1%-5%填充到水热法制备的ZnO溶液中，将清洁后的空芯光纤（4）浸入水热法制备的1%-5%的混合溶液中100℃生长10小时后，通过60℃干燥处理使得Al2O3/ZnO复合材料（5）生长在空芯光纤（4）的内部，形成350-400nm的Al2O3/ZnO复合材料（5）。
测量原理：
光源1的光通过引入单模光纤2，到达引入单模光纤2和第一细芯光纤3的熔接点处时，一部分光进入第一细芯光纤3包层，激起包层模，一部分光进入第一细芯光纤3纤芯，激起纤芯模，而后光进入空芯光纤4时，由于第一细芯光纤3与空芯光纤4的纤芯不匹配，从而激起空芯光纤4的高阶模，由于传输系数的不同，当重新耦合至第二细芯光纤6时，这些模式会相互干涉，从而经过引出单模光纤7在光谱仪8接收。
在本实施例中利用水热法在空芯光纤4内生长Al2O3/ZnO复合材料5，当外界紫外环境发生变化时即发生变化，会引起空芯光纤4的传播常数发生变化，因此会发生模式的干涉现象，即透射光谱的极值（极值点所对应的波长称为特征波长）会发生移动，特征波长的变化表示为：
其中，为特征波长，为有效折射率差，L为空芯光纤长度。特征波长的移动可反映出外界紫外强度的改变。
下面将具体描述按照本发明的光纤紫外传感器的制作过程。
首先，利用水热法将生长混合溶液在反应釜200℃生长20小时后，通过去离子水多数洗涤在真空冷冻干燥24小时后，将其粉状物在1200℃下煅烧3小时得到Al2O3粉末，将其作为原料以1%-5%填充到水热法制备的ZnO溶液中，将清洁后的空芯光纤（4）浸入水热法制备的1%-5%的混合溶液中100℃生长10小时后，通过60℃干燥处理使得Al2O3/ZnO复合材料（5）生长在空芯光纤（4）的内部，形成350-400nm的Al2O3/ZnO复合材料（5）；
接着，优选采用目前市面上常用的光纤熔接机的自定义模式，调节放电强度为3500bit，放电时间为2000ms，将引入单模光纤2的一端以纤芯对准的方式熔接第一细芯光纤3，然后在第一细芯光纤3的另一端继续以纤芯对准的方式熔接空芯光纤4，其次在空芯光纤4的另一端纤芯对准的方式熔接第二细芯光纤6，最后在第二细芯光纤6的另一端纤芯对准的方式熔接引出单模光纤7；
最后，将完成上述熔接后的光纤元件与光源1、光谱仪8相连，由此完成整个光纤紫外传感器的制备过程。
通过以上描述可见，对于按照本发明的光纤紫外传感器可以仅采用制作方法简单的水热法和常规的光纤熔接机即可完成整个制作过程，可重复性强、便于操控、成本低，而且无需偏移熔接就可得到很好的透射光谱，并且可以有效提高***的灵敏度，可适用于大规模的生产用途。
Claims (7)
1.基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器，其特征在于，该传感器包括依次连接的光源（1）、引入单模光纤（2）、第一细芯光纤（3）、空芯光纤（4）、Al2O3/ZnO复合材料（5）、第二细芯光纤（6）、引出单模光纤（7）和光谱仪（8），其中：
所述光源（1）为宽带光源，中心波长为1550nm，用于产生光信号；
所述引入单模光纤（2）用于接收和传输光源（1）的光，并将其传输给第一细芯光纤（3）；
所述第一细芯光纤（3）与引入单模光纤（2）相对准熔接，用于产生干涉，并将干涉信号的模式耦合至空芯光纤（4）；
所述空芯光纤（4）在其内部设置有Al2O3/ZnO复合材料（5），其两端分别于第一细芯光纤（3）和第二细芯光纤（6）相对准熔接，并将干涉信号通过引出单模光纤（7）输出；
所述光谱仪（8）对引出单模光纤（7）所输出的干涉模式执行透射光谱检测，并根据检测结构相应的获得传感数据。
2.根据权利要求1所述的光纤紫外传感器，其特征在于，所述第一细芯光纤（3）和第二细芯光纤（6）长度被设定为1.5cm。
3.根据权利要求1所述的光纤紫外传感器，其特征在于，所述空芯光纤（4）内生长Al2O3/ZnO复合材料（5），其长度设定为2cm。
4.根据权利要求1所述的光纤紫外传感器，其特征在于，所述在空芯光纤（4）的内部生长Al2O3/ZnO复合材料（5）的方法是：利用水热法将生长混合溶液在反应釜200℃生长20小时后，通过去离子水多次洗涤在真空冷冻干燥24小时后，将其粉状物在1200℃下煅烧3小时得到Al2O3粉末，将其作为原料以1%-5%填充到水热法制备的ZnO溶液中，将清洁后的空芯光纤（4）浸入水热法制备的1%-5%的混合溶液中100℃生长10小时后，通过60℃干燥处理使得Al2O3/ZnO复合材料（5）生长在空芯光纤（4）的内部，形成350-400nm的Al2O3/ZnO复合材料（5）。
5.一种用于制作基于Al2O3/ZnO的光纤紫外传感器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
利用水热法将生长混合溶液在反应釜200℃生长20小时后，通过去离子水多次洗涤在真空冷冻干燥24小时后，将其粉状物在1200℃下煅烧3小时得到Al2O3粉末，将其作为原料以1%-5%填充到水热法制备的ZnO溶液中，将清洁后的空芯光纤（4）浸入水热法制备的1%-5%的混合溶液中100℃生长10小时后，通过60℃干燥处理使得Al2O3/ZnO复合材料（5）生长在空芯光纤（4）的内部，形成350-400nm的Al2O3/ZnO复合材料（5）；
采用光纤熔接机的自定义模式，调节放电强度为3500 bit，放电时间为2000ms，将引入单模光纤（2）的一端以纤芯对准的方式熔接第一细芯光纤（3），然后在第一细芯光纤（3）的另一端继续以纤芯对准的方式熔接空芯光纤（4），其次在空芯光纤（4）的另一端纤芯对准的方式熔接第二细芯光纤（6），最后在第二细芯光纤（6）的另一端纤芯对准的方式熔接引出单模光纤（7）；
将完成上述熔接后的光纤元件与光源（1）、光谱仪（8）相连，由此完成整个光纤紫外传感器的制备过程。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述空芯光纤（4）的长度被设定为2cm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述第一细芯光纤（3）和第二细芯光纤（6）长度被设定为1.5cm。
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