光纤端面纳米腔及其制备方法及电弧放电检测系统

本发明属于光化学传感器，具体涉及一种光纤端面纳米腔及其制备方法及电弧放电检测系统。

背景技术：

1、电气设备由于接触不良或质量缺陷会产生电弧，同时会产生超声波。电弧放电检测技术在电力系统的网络运行安全监测应用有着重要意义，它可以检测电力设备表面和局部的放电现象。目前国内正积极开展这项技术研究，并逐步在输电线路和变电站电气设备的放电监测进行应用。检测手段有放电弧光强度检测和成像可视测量，紫外成像是一种有效的电气设备放电检测方法，但是紫外成像仪在外部光照不足时输出图像往往比较模糊，存在对比度差，成本高，灵敏度低，对早期放电危险难以预报等缺点。

2、单晶金片(gmf)主要应用在构建光学光纤端面纳米腔。在纳米尺度上真正限制和调制光的能力允许进入极端光物质相互作用的机制，用于基础研究以及实现高度紧凑的纳米光子器件。通过将光场与集体电子激发(即表面等离子体)耦合，等离子体纳米颗粒能够将光限制在深亚波长尺度(例如，10nm)，并产生增强的局部电磁场。然而，实现更严格限制的光场(例如，低于5nm)是具有挑战性的。最近，通过将金属纳米颗粒放置在由纳米厚介电层分隔的gmf上而形成的镜上纳米颗粒(npom)等离子体光纤端面纳米腔，由于其具有极限光学限制、易于将功能材料结合到间隙中以及易于制造的能力而引起了广泛的研究兴趣。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种光纤端面纳米腔及其制备方法及电弧放电检测系统，以解决现有检测方法对比度差、成本高、灵敏度低，以及对早期放电危险难以预报等缺陷。

2、为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种光纤端面纳米腔，包括：

4、光纤端面；

5、金/银膜层，其第一侧与所述光纤端面相连，与第一侧相对的第二侧设有凹槽；

6、单晶金片，与所述金/银膜层相连，且覆盖在所述凹槽上，形成f-p干涉腔体；

7、金/银纳米柱阵列，设于所述金/银膜层的凹槽内，能够引起spp模式。

8、可选地，所述金/银纳米柱阵列通过在金/银膜层的凹槽内放置一层排列紧密有序的纳米球，以纳米球为掩膜，进行离子束刻蚀得到。

9、可选地，所述纳米球为聚苯乙烯纳米球。

10、可选地，所述金/银纳米柱阵列的高度和直径均可调。

11、可选地，所述单晶金片通过乙二醇和氯金酸混合成生长溶液，用载玻片在生长溶液中恒温生长得到，通过控制生长时间得到预设尺寸的单晶金片。

12、可选地，所述单晶金片的厚度为100～150nm；所述金/银膜层的厚度为200～400nm。

13、第二方面，本发明提供了一种电弧放电检测系统，包括：

14、第一方面中任一项所述的光纤端面纳米腔；

15、波纹振动监测器，与所述光纤端面纳米腔中的单晶金片相连，用于监测因电弧放电产生的超声波引起的单晶金片的波纹振动，并根据连续监测结果判定局部电弧放电的频率；

16、光谱仪，与所述光纤端面纳米腔中光纤端面相连，用于观察实时光谱的变化，并根据实时光谱的信号来监测电弧放电强度。

17、第三方面，本发明提供了一种制备第一方面中任一项所述的光纤端面纳米腔的方法，包括：

18、在光纤端面镀金/银膜层；

19、在所述金/银膜层上形成凹槽；

20、在金/银膜层的凹槽内放置一层排列紧密有序的纳米球，以纳米球为掩膜，进行离子束刻蚀得到金/银纳米柱阵列；

21、生成单晶金片，并将所述单晶金片覆盖在金/银膜层的凹槽上，形成f-p干涉腔体。

22、可选地，所述金/银纳米柱阵列通过以下步骤获得：

23、将纳米球悬浮液中的水溶液和纳米颗粒进行分离，并向分离后得到的纳米颗粒中加入去离子水：正丁醇：乙醇＝3:2:1的混合溶液；

24、将混合溶液涡旋后，在超声波清洗机中超声预设时长，使纳米颗粒完全分散开来；

25、取适量混合溶液以预设的速度注入空气/水界面，在混合溶液表面形成一层纳米球阵列，然后将所述纳米球转移至金/银膜层的凹槽内并干燥。

26、可选地，所述生成单晶金片，并将所述单晶金片覆盖在金/银膜层的凹槽上，形成f-p干涉腔体，包括：

27、利用乙二醇和氯金酸混合成生长溶液，通过控制生长时间获得预设尺寸的单晶金片；

28、将洁净的载玻片以预设的倾斜角度浸入生长溶液中，将生长溶液在恒温干燥箱中加热至预设温度，并在该温度以及预设时长下时保持一定的反应时间，得到具有预设厚度的单晶金片；

29、在生长完成之后，取出表面有单晶金片的载玻片，进行清洗和干燥；

30、用洁净的pdms薄膜拾取在载玻片上生长的单晶金片，然后将二者一起放置到光纤端面的金/银膜层；

31、移开pdms薄膜，并将单晶金片在金/银膜层上，且与金/银膜层上的凹槽形成f-p干涉腔体。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果：

33、本发明所提出的一种光纤端面纳米腔及其制备方法及电弧放电检测系统，通过电弧放电时产生的超声波，来影响单晶金片的振荡，导致光谱的变化，从而判断是否发生电弧放电，由于单晶金片的响应速度快，灵敏度高，因此本发明的检测方法对比度高。

34、由于本发明是在光纤端面的设置纳米腔，因此可以检测更多细微处的电弧放电。

35、由于本发明既有波纹振动监测的方式，又有实时观察光谱变化的方式，两种检测方式相互制约，因此本发明可以减少外界温度变化的干扰，提高检测的精准度。

36、由于本发明制备工序少，制备过程简单，所需材料便宜，可重复性好，因此成本低且可以大量生产。

技术特征：

1.一种光纤端面纳米腔，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种光纤端面纳米腔，其特征在于：所述金/银纳米柱阵列通过在金/银膜层的凹槽内放置一层排列紧密有序的纳米球，以纳米球为掩膜，进行离子束刻蚀得到。

3.根据权利要求2所述的一种光纤端面纳米腔，其特征在于：所述纳米球为聚苯乙烯纳米球。

4.根据权利要求1所述的一种光纤端面纳米腔，其特征在于：所述金/银纳米柱阵列的高度和直径均可调。

5.根据权利要求1所述的一种光纤端面纳米腔，其特征在于：所述单晶金片通过乙二醇和氯金酸混合成生长溶液，用载玻片在生长溶液中恒温生长得到，通过控制生长时间得到预设尺寸的单晶金片。

6.根据权利要求1所述的一种光纤端面纳米腔，其特征在于：所述单晶金片的厚度为100～150nm；所述金/银膜层的厚度为200～400nm。

7.一种电弧放电检测系统，其特征在于，包括：

8.一种制备权利要求1-6所述的光纤端面纳米腔的方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金/银纳米柱阵列通过以下步骤获得：将纳米球悬浮液中的水溶液和纳米颗粒进行分离，并向分离后得到的纳米颗粒中加入去离子水：正丁醇：乙醇＝3:2:1的混合溶液；

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述生成单晶金片，并将所述单晶金片覆盖在金/银膜层的凹槽上，形成f-p干涉腔体，包括：

技术总结
本发明公开了一种光纤端面纳米腔及其制备方法及电弧放电检测系统，光纤端面纳米腔包括光纤端面、金/银膜层、单晶金片和金/银纳米柱阵列；金/银膜层的第一侧与光纤端面相连，第二侧设有凹槽；单晶金片与金/银膜层相连，且覆盖在凹槽上，形成F‑P干涉腔体；金/银纳米柱阵列设于金/银膜层的凹槽内，能够引起SPP模式。本发明通过电弧放电时产生的超声波来影响单晶金片的振荡，导致光谱发生变化，从而判断是否发生电弧放电，由于单晶金片的响应速度快，灵敏度高，能够监测放电强度和放电频率。本发明在光纤端面设置纳米银膜空腔，可以检测更多细微处的电弧放电。本发明同时具备波纹振动F‑P监测和实时观察SPP光谱变化，可减少外界温度变化引起的干扰。

技术研发人员：倪海彬,陈进,高绪之,田俊,沈依
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15