一种高功率激光器中的油脂污染物监测装置及其监测方法

摘要

本发明提供了一种高功率激光器中的油脂污染物监测装置及其监测方法，所述装置中的激光发生装置通过2×2耦合器Ⅰ，将所发生的激光分成两路，一路作为信号光依次输入至2×2耦合器、1×4耦合器、镀膜微纳光纤阵列、4×1合束器、2×1合束器、信号光探测器，另一路作为参考光输入至用于检测参考光强度的参考光探测器。信号光探测器依次与放大器、差分器、AD转换器、锁相调制器、微型计算机电连接。本发明的监测装置及监测方法通过微纳光纤镀膜材料折射率改变，影响其表面倏逝波的传输特性。本发明精度较高、能够用于真空监测环境、二次污染少，能够满足对油脂类污染物监测的特殊要求，能够实现易集成、易扩展、灵敏度高、准分布及实时在线测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率激光器中的油脂污染物监测装置及其监测方法。

背景技术

随着现代科技的发展，对实验和生产的环境要求越来越高，因此，微污染物传感技术有着广泛的应用需求。对于高功率激光装置来说，如美国“NIF（National Ignition Facility Project）”激光装置，主要光学部件的光通量负载能力应达到14J/cm²。研究结果表明，光学元件表面污染都会导致表面损伤阈值的降低。因此美国对光学元件的制造、清洗、安装以及材料进行了严格的规定，保证激光装置在制造、安装过程中尽可能减少残留污染物，在使用过程中尽可能减少产生污染物。

但是，前期的洁净控制还远远不够，在系统中依然存在有机污染。主要是由于高功率激光装置均为巨大而复杂的真空系统，需要大量的润滑剂、沾合剂、高分子材料、垫圈等等，在低真空情况下，这些材料会产生挥发形成分子态污染物，而在激光器工作情况下会产生高能杂散光，在强光的照射下会加剧这些材料的挥发。这些污染物将沉积在光学器件表面形成薄膜（严重时甚至汇聚成颗粒污染物），一方面会影响光束质量，另一方面会吸收激光能量产生微爆炸，在光学器件表面形成微损伤，这种损伤的积累最终导致光学元件损伤阈值的下降，并进一步导致光学元件的损坏。

为保证高功率激光系统的持续稳定工作，必须对激光装置中大分子有机污染物进行实时在线监测。

目前有机污染物的测量方法主要有以下几种方式：

（1）光散射法。该方法已有成型的颗粒计数器，主要通过监测散射光即可反推出粒子的大小，该方法只能研究空气中漂浮的颗粒，不合适在高真空度的环境中使用，复杂的结构容易引入二次污染，所以不适合高功率激光系统对微污染物的要求，最小可探测颗粒为0.1μm。

（2）石英晶体微平衡法。该方法是一种谐振式测量仪器，主要用来进行微质量的测量精度可以达到纳克量级，成本低廉，在生物医药、化学、环境监测、航空航空等领域有着广泛的应用。该方法由于是体谐振式传感，其谐振频率最高为20MHz，受限于谐振频率，理论探测极限为纳克量级。

（3）声表面波。声表面波泛指沿表面或者界面传播的各种模式的波，不同的边界条件和传播介质可以激发出不同模式的声表面波。不同的应用条件使用不同的激发波。该方法谐振频率为百MHz量级，可以得到比石英晶体微平衡法更高的灵敏度，但该方法的表面积大（几个平平方毫米）且对光刻技术要求高，限制其发展。

（4）薄膜体声波谐振法。该方法谐振频率可以达到GHz量级，质量灵敏度比QCM方法高3个量级，但是该方法只适合质量均匀分布的情况，且传感面积较小。

       微纳光纤具有强约束能力、大倏逝场、强色散特性、便于集成且与普通光纤易于连接等优点，特别适合在传感领域应用。

发明内容

为克服已有技术中激光装置油脂污染物监测中的精度低、真空监测环境、引入二次污染的不足，本发明提供一种高功率激光器中的油脂污染物监测装置，本发明的另一目的是提供一种高功率激光器中的油脂污染物监测方法，能够准确有效监测油脂类污染物。

本发明的技术方案是：

本发明的高功率激光器中的油脂污染物监测装置，其特点是，所述的监测装置包括激光发生装置、2×2耦合器Ⅰ、2×2耦合器Ⅱ、1×4耦合器Ⅰ、1×4耦合器Ⅱ、4×1合束器Ⅰ、4×1合束器Ⅱ、2×1合束器、镀膜微纳光纤阵列、信号光探测器、参考光探测器、放大器、差分器、AD转换器、锁相调制器、微型计算机，其中激光发生装置含有窄线宽激光器、光纤隔离器；所述的窄线宽激光器的输出端通过光纤连接至光纤隔离器后，连接2×2耦合器Ⅰ的第一端口，2×2耦合器Ⅰ第三端口通过光纤与2×2耦合器Ⅱ第一端口连接，2×2耦合器Ⅰ的第四端口通过光纤与参考光探测器连接；2×2耦合器Ⅱ通过光纤与1×4耦合器Ⅰ、1×4耦合器Ⅱ分别连接；1×4耦合器Ⅰ、1×4耦合器Ⅱ通过镀膜微纳光纤阵列分别与4×1合束器Ⅰ、4×1合束器Ⅱ连接；4×1合束器Ⅰ、4×1合束器Ⅱ通过光纤分别连接到2×1合束器；2×1合束器通过光纤连接到信号光探测器；信号光探测器(8)依次与放大器(9)、差分器(10)、AD转换器(11)、锁相调制器(12) 、微型计算机(13)连接。

所述的窄线宽激光器与锁相调制器电连接，用于锁相调制器输出电信号与激光发生装置的输入电信号同步。

所述的镀膜微纳光纤阵列，由相同直径的镀膜微纳光纤组成。

所述的镀膜微纳光纤的直径为1～4μm，镀膜的厚度为100nm。

所述的激光发生装置通过2×2耦合器Ⅰ，将所发生的激光分成两路，所分出一路作为信号光依次输入至2×2耦合器、1×4耦合器、镀膜微纳光纤阵列 、4×1合束器、2×1合束器、信号光探测器，另外一路作为参考光输入至用于检测参考光强度的参考光探测器。

本发明中的放大器、差分器、AD转换器及锁相调制器集成至监测平台中。

一种用于高功率激光器中的油脂污染物监测装置的监测方法，依次包括以下步骤：

a).将直径为125微米的普通单模光纤SMF-28利用扫描熔融拉锥法拉制成直径为1～4μm的微纳光纤；

b).将拉制好的微纳光纤，利用提拉法镀膜，膜层厚度为100nm,并进行封装,得到镀膜微纳光纤阵列；

c).将激光发生装置所发生的激光作为信号光连接镀膜微纳光纤阵列；

d).镀膜微纳光纤阵列连接用于检测信号光强度的信号光探测器；

e).激光发生装置产生激光，所产生的激光通过镀膜微纳光纤阵列传输至信号光探测器，信号光探测器监测结果除以参考光探测器监测结果得出由微纳光纤膜层折射率变化所引起的倏逝波变化而产生光能量减少量；

f).根据减少的光能量的多少利用时域有限差分的方法可以得到有机污染物浓度的大小。

    

本发明的有益效果是，本发明的装置利用微纳光纤大倏逝场特性进行可挥发油脂类污染物的传感，通过微纳光纤镀膜材料折射率改变，影响其表面倏逝波的传输实现传感，本发明的监测装置及监测方法精度较高、能够用于真空监测环境、且二次污染较少，能够很好的满足对油脂类污染物监测的特殊要求，同时可以实现易集成、易扩展、灵敏度高、准分布及实时在线测量，从根本上解决测量油脂污染物的难题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a为实验前的镀膜微纳光纤结构示意图；

图2b为图2a中Ⅰ-Ⅰ局部放大图；

图3a为实验后的镀膜微纳光纤结构示意图；

图3b为图3a中Ⅱ-Ⅱ局部放大图；

图4 为本发明的自动化操作程序；

       图中：1.窄线宽激光器    2.光纤隔离器     3.2×2耦合器Ⅰ     23.2×2耦合器Ⅱ     4.1×4耦合器Ⅰ     24.1×4耦合器Ⅱ     5.镀膜微纳光纤阵列     6.4×1合束器Ⅰ     26. 4×1合束器Ⅱ     7. 2×1合束器     8.信号光探测器     14.参考光探测器     9.放大器     10.差分器     11.AD转换器     12.锁相调制器     13.微型计算机     15.二氧化硅薄膜     16.微纳光纤     17.二氧化硅颗粒     18.油脂类污染物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

实施例1

图1为本发明的结构示意图，图1中，本发明的高功率激光器中的油脂污染物监测装置包括激光发生装置、2×2耦合器Ⅰ3、2×2耦合器Ⅱ23、1×4耦合器Ⅰ4、1×4耦合器Ⅱ24、4×1合束器Ⅰ6、4×1合束器Ⅱ26、2×1合束器7、镀膜微纳光纤阵列5、信号光探测器8、参考光探测器14、放大器9、差分器10、AD转换器11、锁相调制器12、微型计算机13，其中，激光发生装置含有窄线宽激光器1、光纤隔离器2。所述的窄线宽激光器1的输出端通过光纤连接至光纤隔离器2后，连接2×2耦合器Ⅰ3的第一端口31，2×2耦合器Ⅰ3第三端口33通过光纤与2×2耦合器Ⅱ23第一端口连接，2×2耦合器Ⅰ3的第四端口34通过光纤与参考光探测器14连接；所述2×2耦合器Ⅱ23通过光纤与1×4耦合器Ⅰ4、1×4耦合器Ⅱ24分别连接；所述1×4耦合器Ⅰ4通过镀膜微纳光纤阵列5与4×1合束器Ⅰ6连接，所述1×4耦合器Ⅱ24通过镀膜微纳光纤阵列(5)与 4×1合束器Ⅱ26连接，所述4×1合束器Ⅰ6、4×1合束器Ⅱ26通过光纤分别连接到2×1合束器7；2×1合束器7通过光纤与信号光探测器8连接；信号光探测器8依次与放大器9、差分器10、AD转换器11、锁相调制器12、微型计算机13连接。

本发明中的激光发生装置通过2×2耦合器Ⅰ3，将所发生的激光分成两路，所分出一路作为信号光依次通过2×2耦合器Ⅱ23、1×4耦合器Ⅰ4和1×4耦合器Ⅱ24、镀膜微纳光纤阵列5、4×1合束器Ⅰ6和4×1合束器Ⅱ26、2×1合束器7，输入至信号光探测器8，由信号光探测器8转化的电信号依次通过放大器(9)、差分器(10)、AD转换器(11)及锁相调制器(12)，传至微型计算机(13)进行处理；激光另外一路作为参考光输入至用于检测参考光强度的参考光探测器14。

所述的窄线宽激光器1与锁相调制器12电连接，用于锁相调制器12输出电信号与激光发生装置的输入电信号同步。

所述的镀膜微纳光纤阵列5，由相同直径的镀膜微纳光纤组成。

本实施例中，所述的镀膜微纳光纤直径为2μm，镀膜的厚度为100nm。

一种用于高功率激光器中的油脂污染物监测装置的监测方法，依次包括以下步骤：

    a).将普通单模光纤放置在三维平移台，利用氢氧焰将加热到1000℃以上，基于编制的程序控制步进电机将普通单模光纤拉长，加热部分光纤直径减少，制备微纳光纤，将微纳光纤封装。

b).配制浓度为3%的二氧化硅胶体，将封装好的微纳光纤利用酒精进行冲洗，固定在提拉镀膜机的支架上，在提拉速度为300mm/min下，对微纳光纤的表面进行提拉镀膜。利用原子力显微镜对镀膜微纳光纤表面进行观测，计算在此速度下膜层的厚度约为100nm，再次对镀膜微纳光纤进行封装。

c).将封装好的镀膜微纳光纤组成阵列，连接至光路中。

d).将激光发生装置所发出的激光做为信号光连接微纳光纤，首先连接光纤耦合器，将所发出的激光分成两路相同的激光，所发出的一路做为信号光连接微纳光纤，另一路做为参考光连接检测参考光强度的参考光探测器。

e).在微纳光纤后连接用于检测信号光强度的信号光探测器。

f).激光发生装置产生激光，所产生的激光通过微纳光纤阵列传输至信号信号光探测器，信号光探测器检测出激光在微纳光纤中由于吸附有机物引起的倏逝场扰动引起的能量波动；通过光纤耦合器连接的参考光探测器，在信号光探测器检测光信号的同时，参考光探测器检测参考光的光强度变化，信号光探测器结果除以参考光探测器所检测到的结果可以消除由于激光发生装置本身所引起的功率抖动，获得薄膜吸附污染物后所减少的光能量，这由于参考光本身是激光发生装置发出激光的一部分，光强所占比例固定，不受外界环境的影响。

g).根据减少的光能量利用时域有限差分（FDTD）的方法得出薄膜折射率的变化，利用折射率的变化推导薄膜填充率的变化，最后得出薄膜吸附有机污染物的质量，在本实施例中最终得到一个类似数据库的表格，每个附加损耗对应一个吸附有机污染物的质量，所以当镀膜微纳光纤通过的光能量变化时，可以通过损耗值得到有机污染物的质量。时域有限差分方法是在电磁波及光学领域应用较为普遍的方法，把计算空间划分成Yee元胞，同时把电场和磁场节点空间与时间上都采用交错抽样，并在边界设置吸收条件，利用麦克斯韦方程组队节点上的电场和磁场进行递推计算，得到整个计算区域的光强分布，进而得出计算区域内折射率分布与光强分布之间的关系。

本发明中的激光发生装置经光纤隔离器连接光纤耦合器，其引入是为了消除后向散射光对光源的影响，光纤隔离器利用法拉第旋光效应实现光能量的单向传输，防止光能量的反向传输。信号光探测器和参考光探测器均采用光电探测器，其功能为将光信号转换为电信号。用于连接各部件所采用的均是普通单模光纤（SMF-28），是传输光能量的主要介质。镀膜后的微纳光纤进行氨气处理以增强膜层的结构强度。

图2a为实验前的镀膜微纳光纤结构示意图，图2b为图2a中Ⅰ-Ⅰ局部放大图，在图2a、图2b中，在微纳光纤16的周围镀有一层二氧化硅薄膜15，二氧化硅颗粒17为二氧化硅薄膜15中颗粒之一。

图3a为实验后的镀膜微纳光纤结构示意图，图3b为图3a中Ⅱ-Ⅱ局部放大图，在图3a、图3b中，显示了实验后二氧化硅薄膜15吸附的油脂类污染物18。

本发明中的激光发生装置发出的激光由单模光纤传输至镀膜微纳光纤阵列5，由于二氧化硅薄膜15吸附油脂类污染物，会对微纳光纤传输在空气中的倏逝场造成扰动，产生散射，所以会造成输出光能量的抖动。通过检测输出光能量的变化，即可推算出吸附在微纳光纤表面油脂类污染物的质量。 

图4 为本发明的自动化操作程序，在起始步骤100之后，判断102是否已经完成初始化。如果应答是肯定的，则步骤104输入参数，该输出参数包括，例如衰减系数、端口选择等，接着步骤106测量附件损耗值。紧接步骤108输入边界条件以及计算条件，包括边界吸收条件、折射率选择、波导尺寸、计算步长等，接着步骤110计算损耗与浓度之间的关系。在该计算之后，即可启动输出步骤112，可在某个指示器中获得该输出，或用能保留该结果的其它记录将其存储。