实时监测和净化空芯光纤中气态OH的系统和方法

实时监测和净化空芯光纤中气态oh的系统和方法
技术领域
1.本发明涉及空芯光纤，特别是一种实时监测和净化空芯光纤中气态羟基(oh)的系统和方法。


背景技术：

2.空芯光纤(hollow core fiber,以下简称为hcf)的出现给激光、非线性光学、传感、通信、量子、生物等多个领域提供了理想的传输媒介和实验平台。一方面，hcf作为可弯曲的中空光导纤维，光在其中的传播性质类似于在自由空间中的传播，打破了固体介质材料吸收的限制，在光纤中创造出一个低色散、低非线性、低时间延迟的理想光学环境；另一方面，hcf作为一个光与物质相互作用的平台，将激光约束在微米量级的中空纤芯内进行长距离传输，打破了激光空间传输衍射极限的限制，极大地增强了光与物质的相互作用。然而hcf中的微结构区域使得水汽容易从光纤开放的两端扩散进入其内部区域，水汽的存在增大了hcf的传输损耗、腐蚀光纤结构并且产生了强烈的噪声干扰，对使用hcf进行传感的领域带来了极大的阻碍。
3.众所周知，hcf由高纯度石英制成，所以一般通过真空和高温环境降低熔融石英材料中的oh含量来达到降低hcf中oh的目的。这种方法成本高昂、保质期较短并且容易被二次污染。将光纤两端密封存储虽然可以降低扩散进入光纤的oh含量，但是在制造过程中引入的oh，仍然留存于光纤内部并且影响后续使用。2019年南安普顿大学将空芯光纤一端连接到压力为6bar的氮气源上，另一端向大气开放，进行简单的单边吹扫，将光纤内的水汽降低了几十ppm。对于测量灵敏度要求较高的中红外波段，即使光纤中的水汽浓度是百万分之一(ppm)量级，也会对其他光谱信号的测量造成影响，如降低了信噪比、与目标信号光谱重叠。因此，为了降低光纤自身的损耗、延缓光纤老化腐蚀的速度、提高空芯光纤传感的精确度和扩大空芯光纤的使用领域，有必要发展一种时效性强、使用便捷和低成本净化空芯光纤内oh的方法。


技术实现要素：

4.针对现有净化空芯光纤内oh成本高昂、保质期短、净化程度低、容易被二次污染的缺点和不足，本发明提供一种实时监测和净化空芯光纤中气态羟基(oh)的系统和方法，监测与净化实时交互自启动、便捷、易于实现并且成本低廉的实时监测和净化空芯光纤中气态oh的方法及系统，该方法及系统将实时监控空芯光纤内oh的浓度与对空芯光纤进行净化相结合，使监测和净化两者之间形成反馈机制，自启动净化循环，实现了对空芯光纤中oh净化过程的自动化、可视化、可控化，提高了系统的可靠性、便捷性。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种实时监测和净化空芯光纤中气态oh的系统，其特点在于，该系统包括：激光输出模块、耦合器、第一气室、第二气室、浓度监测和净化模块、准直器和光电探测器，所述的浓度监测和净化模块包含浓度检测、气路、净化器，所述的第一气室、第二气室具有气压监
测器和带有倾斜端面的金属腔，待测光纤置于所述的第一气室、第二气室的金属腔之间，所述的激光输出模块输出的激光依次经所述的耦合器、第一气室、待测光纤、第二气室、准直器与所述的光电探测器的输入端相连，所述的浓度监测和净化模块的1端口与2端口分别与所述的第一气室、第二气室相连，所述的浓度监测和净化模块的3端口与所述的光电探测器的输出端相连，所述的浓度监测和净化模块接收所述的光电探测器的数据，处理数据并对待测光纤进行净化处理，获取待测光纤中oh的浓度信息。
7.所述的第一气室、第二气室都包括气压监测器和带有倾斜端面的金属腔，用于消除干涉现象，提高吸收光谱的信噪比。
8.所述的第一气室、第二气室的后端采用了拔插结构，可以在不拆卸前端的情况下置换待测光纤，方便使用、操作简单。
9.所述的第一气室、第二气室分别在上面和侧面做了穿透孔，实现了气压监测和净化互不影响，单独控制。
10.所述的净化器通过真空净化或高压净化，达到净化的目的。
11.利用上述实时监测和净化空芯光纤中气态oh的系统进行实时监测和净化空芯光纤中气态oh的方法，包括如下步骤：
12.1)将待测光纤的两端与所述的第一气室、第二气室相连，所述的第一气室和第二气室都安装有气压监测模块，便于实时观察和控制所述的待测光纤内的压强；
13.2)所述的激光输出模块是通过电流、温度调制使得激光器输出调制的激光，根据实际需求调整激光器输出的波段、扫描频率，选取需要净化的oh波长或波段，需要净化的光纤长度，通过所述的耦合器聚焦耦合进入所述的待测光纤；所述的待测光纤出射端出射的激光由所述的准直器准直光束之后，所述的待测光纤内oh的光强由所述的光电探测器的接收，完成光信号到电信号的转变后传输给所述的浓度监测和净化模块；
14.3)所述的浓度监测和净化模块的浓度监测和净化器通过所述的气路连通，同时实现浓度监测和净化，所述的浓度监测和净化模块一方面对光电探测器传输的电信号进行处理，一方面控制所述的净化器对所述的待测光纤进行净化并且实时反馈净化后的数据，实现oh浓度监测、信息更新与净化处理，形成监测和净化的自循环，直至所述的浓度监测和净化模块采集到所述的光纤中oh浓度达到预设值以下，完成净化。
15.本发明和现有技术相比具有如下有益效果：
16.1.本发明对空芯光纤内的oh进行净化，提高了空芯光纤在传感、探测方面的精度，扩大了空芯光纤的使用范围；
17.2.本发明利用利用实时监测与净化相结合的手段，实现了对空芯光纤中oh监测和净化的闭环反馈，自动化，提高了系统的智能化、可视化、可靠性和可控性；
18.3.本发明在空芯光纤拉制完成后，再进行除oh工作，相比于降低前期材料熔融石英中oh浓度，本发明提供的净化空芯光纤中oh的系统更具时效性，避免了二次污染的可能。
附图说明
19.图1为本发明实时监测和净化空芯光纤中气态oh的系统示意图；
20.图2为本发明实时监测和净化空芯光纤中气态oh方法的流程图；
21.图3为本发明实施例中应用基于tdlas技术净化空芯光纤中oh系统测量光纤内存
在h2o吸收光谱信号的图；
22.图4为本发明实施例中应用基于tdlas技术净化空芯光纤中oh系统测量净化后空芯光纤内吸收光谱信号的图
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1所示，本发明实时监测和净化空芯光纤中气态oh的系统，包括激光输出模块1、耦合器2、第一气室3、第二气室4、浓度监测和净化模块5、准直器6和光电探测器7，所述的浓度监测和净化模块5包含浓度检测51、气路52、净化器53，所述的第一气室3、第二气室4具有气压监测器32和带有倾斜端面的金属腔31，待测光纤的两端与所述的第一气室3、第二气室4的金属腔31相连，所述的激光输出模块1输出的激光依次经所述的耦合器2、第一气室3、待测光纤、第二气室4、准直器6与所述的光电探测器7的输入端相连，所述的浓度监测和净化模块5的1端口与2端口分别与所述的第一气室3、第二气室4相连通，所述的浓度监测和净化模块5的3端口与所述的光电探测器7的输出端相连，所述的浓度监测和净化模块5接收所述的光电探测器7的数据，处理数据并对待测光纤进行净化处理，获取待测光纤中oh的浓度信息；
25.所述的第一气室3、第二气室4都包括气压监测器32和带有倾斜端面的金属腔31，用于消除干涉现象，提高吸收光谱的信噪比。
26.所述的第一气室3、第二气室4的后端采用了拔插结构，可以在不拆卸前端的情况下置换待测光纤，方便使用、操作简单。
27.所述的第一气室3、第二气室4分别在上面和侧面做了穿透孔，实现了气压监测和净化互不影响，单独控制。
28.所述的净化器53通过真空净化或高压净化，达到净化的目的。
29.利用上述实时监测和净化空芯光纤中气态oh的系统进行实时监测和净化空芯光纤中气态oh的方法，包括如下步骤：
30.1)将待测光纤的两端与第一气室3、第二气室4的金属腔31后端的拔插结构相连，所述的第一气室3和第二气室4都安装有气压监测模块32，便于实时观察和控制所述的待测光纤内的压强；
31.2)所述的激光输出模块1是通过电流、温度调制使得激光器输出调制的激光，根据实际需求调整激光器输出的波段、扫描频率，选取需要净化的oh波长或波段，需要净化的光纤长度，根据实际需求调整激光器输出的波段、扫描频率，选取需要净化的oh波长或波段，需要净化的光纤长度通过所述的耦合器2聚焦耦合进入所述的待测光纤；所述的待测光纤出射端出射的激光由所述的准直器6准直光束之后，所述的待测光纤内oh的光强由所述的光电探测器7的接收，完成光信号到电信号的转变后传输给所述的浓度监测和净化模块5；
32.3)所述的浓度监测和净化模块5的浓度监测51和净化器53通过所述的气路52连通，同时实现浓度监测和净化，所述的浓度监测和净化模块5一方面对光电探测器7传输的
电信号进行数据处理，一方面控制所述的净化器53对所述的待测光纤进行净化，实现oh浓度监测、信息更新与净化处理，形成监测和净化的自循环，直至所述的浓度监测和净化模块5采集到所述的光纤中oh浓度达到预设值以下，完成净化。
33.一种实时监测和净化空芯光纤中气态oh的方法包括如下步骤：
34.步骤100、激光输出模块1通过电流、温度调制使得激光器输出调制后的激光；
35.步骤200、将待测光纤两端各自放置在入射端的气室3和出射端的气室4中心，待测光纤端面与气室3、4端口的窗口片保持1mm左右的距离；
36.步骤300、所述的出射激光通过耦合器2的准直、聚焦，实现模式匹配进入到待测光纤的入射端，进行单模传输；
37.步骤400、所述的待测光纤出射端出射的激光经过准直器6的准直，进入到光电探测器7的接收面板，进行光电信号转换，最后所述的信号反馈给浓度监测和净化模块5进行信号处理；
38.步骤500、打开浓度监测和净化模块5，设置浓度最低阈值接收到电信号之后，经过数据处理得到待测光纤中oh的浓度信息，自动控制开启净化器，开始对待测光纤进行净化，直至待测光纤中oh浓度达到预设值以下，完成对待测光纤内部oh的净化。
39.本发明利用净化模块自启动并且与监测浓度模块进行实时交互、反馈的方法，实现待测光纤中oh的去除，本发明提供的净化空芯光纤oh的方法较现有降低初始材料熔融石英中oh浓度、密封储存光纤、单边吹扫等方法，时效性高、成本较低、净化程度高并且使用方便。
40.实施例1
41.本实施例净化空芯光纤中oh系统各结构的特征如下：
42.激光输出模块1出射的激光谱线线宽小于3mhz，一个扫描周期同时覆盖目标信号和光纤内oh信号吸收谱线。
43.耦合器2对激光器2出射的激光进行空间光束变换，与光纤实现模式匹配，镀有增透膜的透镜反射率小于15％，有效提高空间光束与光纤的耦合效率。
44.入射端的第一气室3和出射端的第二气室4结构相同，金属腔31端面都带有8
°
倾斜角和镀有高透膜的蓝宝石窗口片，去除各个器件之间引起的干涉，并且安装了气压监测器32，实时监测待测光纤两端的气压情况。
45.所述的浓度监测和净化模块5一方面对光电探测器7传输的电信号进行处理，一方面控制净化器53对待测光纤进行净化并且实时反馈净化后的数据，两部分形成了一个反馈机制，实现了oh浓度信息更新与净化处理的并行，直至完成净化过程。
46.如图1所示，所述的浓度监测和净化模块5包括浓度监测51、气路52和净化器53，其中浓度检测51在处理数据获得待测光纤中oh浓度的同时控制净化器53的开启和关闭，对待测光纤进行净化时操作方便、一键启动。
47.所述的准直器6为小孔光阑、窄带滤波片、聚焦透镜的组合，小孔光阑口径在5mm内可调；窄带滤波片中心波长根据实际测量谱线需要定制，带宽50nm；聚焦透镜为氟化钙或者蓝宝石透镜。
48.所述的光电探测器7，适用波长范围根据实际测量谱线波长确定，可为硅、铟镓砷、碲化铟等光电探测器，带固定增益或可调增益。
49.本发明净化空芯光纤中oh系统的运行过程为：
50.激光输出模块1输出初始设置的出射激光；
51.将待测光纤两端各自放置在入射端的第一气室3和出射端的第二气室4中心，待测光纤的端面与第一气室3、第二气室4端口的窗口片保持1mm左右的距离；所述的出射激光通过耦合器2的准直、聚焦后，实现模式匹配进入到待测光纤的入射端，进行单模传输；所述的待测光纤出射端出射的激光经过准直器6的准直，进入所述的光电探测器7的接收面板，进行光电信号转换，最后所述的信号反馈给所述的浓度监测和净化模块5进行信号处理，所述的净化器53通过对浓度监测51给出的浓度信息进行判断，开始对待测光纤进行净化，直至待测光纤中oh浓度达到预设值以下，完成对待测光纤内部oh的净化。
52.本发明利用浓度监测和净化相结合形成的反馈机制，自启动净化处理的方法，实现了边去除、边测量的自动化、可视化的除oh过程；本发明利用激光器、监测模块、净化手段可选择、可替换的优势，扩大了可净化的oh波段；本发明提供的净化空芯光纤oh的方法较现有降低初始材料熔融石英中oh浓度、密封储存光纤、单边吹扫等方法，更具有时效性好、成本较低、净化程度高、使用方便、可重复性的特点。
53.实施例2
54.在上述系统的基础上，运行流程如图2所示，激光输出模块1出射预定的扫描频率和波长的激光，所述的待测光纤两端放置在第一气室3、第二气室4中，所述的激光通过耦合器2聚焦，实现模式匹配后进入待测光纤进行传输，所述的待测光纤出射的激光被所述的准直器6准直之后由光电探测器7接收，并且进行光信号和电信号之间的转换后，反馈到所述的浓度监测和净化模块5，所述的第一气室3、第二气室4与所述的浓度检测和净化模块5相连通，通过一方面对光电探测器传输的电信号进行数据处理，一方面控制净化器53对待测光纤进行净化并且实时反馈净化后的数据，两部分形成了一个反馈机制，实现了oh浓度信息更新与净化处理的并行，直至浓度达到阈值以下，完成净化过程。oh的波长或波段一般是根据需求选定的，本实施例中选用的激光器驱动和浓度监测系统是tdlas系统。如图3所示，本实施例中待测光纤长度为3m，选用的波长是4029.7cm-1
。
55.本实施例中，选择净化待测光纤中oh在4029.7cm-1
附近的波长，如图4所示，净化后的oh的吸收谱线随之消失，整个谱线平滑，有效减小背景误差。
56.在实际应用中，可以根据实际需求调整激光器输出的波段、扫描频率，选取需要净化的oh波长或波段，需要净化的光纤长度。
57.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。