一种提高LPFG响应范围的方法与流程

一种提高lpfg响应范围的方法
技术领域
1.本发明属于长周期光纤光栅传感技术领域，涉及一种提高lpfg响应范围的方法，特别是一种提高lpfg对液体响应范围的方法。


背景技术：

2.长周期光纤光栅(long period fiber gratings，lpfgs)是经过对光纤纤芯的折射率进行周期性调制制作而成，能使光线从前向传输的纤芯基模耦合到同向传输的包层模的最重要的一种光无源器件。由于lpfg不仅具有抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、体积小、易与光电系统兼容等诸多的光纤通有特点，还具有无后向反射、插入损耗低、灵敏度高等独特的优点，因而在通讯和传感领域受到了广泛的关注。近二十年来，lpfg已经被应用于光纤通信、温度、应力、负载、弯曲、生物分析、化学传感等多个领域。
3.lpfg的一个重要性质是可以感知折射率的变化。通过感知环境介质的折射率可以判断环境介质的物化性能，如物质的种类、物质的纯度、物质的浓度及物质的其它光学性能等。折射率的检测在海水、发酵工业工程控制、临床检验、药物筛选、食品质量监控、环境监测、冶金及科研等领域有着重要的研究意义与广泛的应用价值。迄今为止，已经出现了很多用于折射率测量的器件，主要包括布拉格光纤光栅传感器、阿贝折射仪、法布里-珀罗干涉型传感器、表面等离子体共振传感器、光子晶体光纤、环形共振器等。与这些折射率传感器相比，lpfg由于具有上述诸多优点，在折射率测量方面具有独特的优势，尤其适用于环境恶劣、人体不易接触的液体或气体的折射率测量。
4.但通常情况下，lpfg对于高于1.453以上的折射率表现为谐振峰消失或极少的波长移动。而对于低于1.345的折射率，lpfg的谐振波长几乎不移动。因而，lpfg对折射率的响应范围存在一定的局限性，这极大地限制了lpfg在实际中的应用。所以有必要拓展长周期光纤光栅对折射率的响应范围，以实现lpfg对折射率的高灵敏检测。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明针对lpfg存在的上述缺陷而提供一种提高lpfg响应范围的方法，特别是一种提高lpfg对液体响应范围的方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的一种提高lpfg响应范围的方法技术方案为，所述的lpfg响应范围的提高是通过采用在lpfg表面修饰纳米薄膜的方法进行提高。
8.所述的纳米薄膜需用氯化钠、植酸与聚二烯丙基二甲基氯化铵等试剂制备。
9.优选的，所述修饰纳米薄膜为将聚二烯丙基二甲基氯化铵与植酸交替沉积于长周期光栅表面；
10.本发明选择聚二烯丙基二甲基氯化铵与植酸作为纳米膜的原因是：聚二烯丙基二甲基氯化铵与植酸有较强的结合力，且聚二烯丙基二甲基氯化铵在水中有非常强的溶胀能力，这导致在水中和氯化钠溶液中lpfg的谐振波长有较大的差异。
11.优选的，所述的试剂聚二烯丙基二甲基氯化铵的分子量为5000-3000000。
12.优选的，所述的聚二烯丙基二甲基氯化铵的沉积所使用的溶液是含有氯化钠的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液；所述植酸的沉积所使用的溶液为含有氯化钠的植酸溶液，其中氯化钠与植酸的摩尔浓度比为0.05-300。
13.优选的，所述的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中氯化钠与聚二烯丙基二甲基氯化铵的摩尔浓度比在0.05-300之间。
14.优选的，所述的植酸溶液每次沉积的时间为5～15分钟，聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液每次沉积的时间为10～30分钟。
15.优选的，所述的修饰方法包括如下主要步骤：
16.①
将lpfg浸入到体积比为7:3的浓硫酸与双氧水中，在80℃下处理1小时；
17.②
用去离子水将lpfg冲洗6次，并用氮气吹干；
18.③
将lpfg在液体槽支架上拉直固定；
19.④
将含有氯化钠的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液加入到液体池进行沉积；
20.⑤
用二次去离子水将沉积后的lpfg冲洗6次，并用氮气吹干；
21.⑥
将含有氯化钠的植酸溶液加入液体池浸泡数分钟；
22.⑦
用二次去离子水将长周期光栅冲洗6次，并用氮气吹干；
23.⑧
重复
④‑⑦
的操作步骤，即可得到能提高长周期光栅对液体有宽响应范围的聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸多层纳米薄膜。
24.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
25.本发明所述的提高lpfg响应范围的方法，与未修饰聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸多层纳米薄膜的lpfg的相比，对环境介质的响应范围显著加宽，对环境介质的敏感性能显著增加。
26.本发明所述的提高lpfg响应范围的方法，可以无需使用高分辨率的仪器及复杂的解调技术即可实现对环境介质的高灵敏检测。
27.本发明所述的提高lpfg响应范围的方法，具有制备工艺简单、成本低廉、无需专门的技术人员操作的优点。
28.本发明所述的提高lpfg响应范围的方法，通过使用聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸多层纳米薄膜修饰，能增强lpfg的耐机械强度能力。
29.本发明所述的提高lpfg响应范围的方法在海水盐度、食品安全、环境监测等领域具有广阔的商业化应用前景，有望被广泛推广应用。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
31.图1是没组装聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜的lpfg对环境介质响应的透射光谱及检测范围图示；
32.图2是组装50双层聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜的lpfg对环境介质响
应的透射光谱及检测范围图示；
33.图3是组装80双层聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜的lpfg对环境介质响应的透射光谱及检测范围图示。
具体实施方式
34.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。
35.实施例1
36.(1)将lpfg浸入到体积比为7:3的浓硫酸与双氧水中在80℃下处理1小时；
37.(2)用去离子水将长周期光栅冲洗6次，并用氮气吹干；
38.(3)将lpfg在液体槽支架上拉直固定；
39.(4)将含有氯化钠的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液加入液体池浸泡10分钟；
40.(5)用二次去离子水将长周期光栅冲洗6次，并用氮气吹干；
41.(6)将含有氯化钠的植酸溶液加入液体池浸泡8分钟；
42.(7)用二次去离子水将长周期光栅冲洗6次，并用氮气吹干；
43.(8)重复(4)-(7)的操作步骤50次。
44.为了进一步优化上述技术方案，聚二烯丙基二甲基氯化铵的分子量为5000-3000000；
45.为了进一步优化上述技术方案，聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中氯化钠与聚二烯丙基二甲基氯化铵的摩尔浓度比在0.05-300之间。
46.如图1所示，当环境介质的折射率从1.33303变化到1.45389时，没组装聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜的lpfg的谐振波长移动了88nm。当环境介质的折射率变为1.45839时，lpfg的谐振峰消失，在1100-1300的波长范围内，lpfg的透射谱变为一条直线。因而，没组装聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜的lpfg对环境介质响应的最大范围为88nm。
47.当组装50双层聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜时，lpfg对环境介质响应的最大范围变为122nm，如图2所示。与没组装聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜的lpfg相比，组装50双层聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜的lpfg对环境介质的响应范围增加了34nm。
48.实施例2
49.(1)将lpfg浸入到体积比为7:3的浓硫酸与双氧水中在80℃下处理1小时；
50.(2)用去离子水将lpfg冲洗6次，并用氮气吹干；
51.(3)将lpfg在液体槽支架上拉直固定；
52.(4)将含有氯化钠的聚二烯丙基二甲基氯化铵加入液体池浸泡20分钟；
53.(5)用二次去离子水将长周期光栅冲洗6次，并用氮气吹干；
54.(6)将含有氯化钠的植酸溶液加入液体池浸泡10分钟；
55.(7)用二次去离子水将长周期光栅冲洗6次，并用氮气吹干；
56.(8)重复(4)-(7)的操作步骤80次。
57.为了进一步优化上述技术方案，聚二烯丙基二甲基氯化铵的分子量为5000-3000000；
58.为了进一步优化上述技术方案，聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中氯化钠与聚二烯丙基二甲基氯化铵的摩尔浓度比在0.05-300之间。
59.当组装80双层聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜时，lpfg对环境介质响应的最大范围变为157nm，如图3所示。与没组装聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜的lpfg相比，组装80双层聚二烯丙基二甲基氯化铵/植酸纳米薄膜的lpfg对环境介质的响应范围增加了69nm。
60.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
61.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。