一种基于聚碳酸酯的聚合物波导爆炸物气体传感器制造技术

本发明专利技术公开一种基于聚碳酸酯的聚合物波导爆炸物气体传感器，针对现有的聚合物波导爆炸物气体传感器所使用的敏感聚合物材料由于孔隙较小响应时间较长，不利于实际应用的问题；本发明专利技术采用侧链含偶极发色团的多孔聚碳酸酯作为爆炸物传感器的敏感层，孔隙中的偶极发色团可以快速地吸附缺电子的硝基爆炸物气体，使薄膜的折射率发生改变，结合两臂宽度非对称的马赫曾德尔干涉仪结构，得到一种新型光波导传感器，具有结构简单，易于集成，探测灵敏度高，响应速度快和抗电磁干扰等优点。

A Polycarbonate-based Polymer Waveguide Explosive Gas Sensor

【技术实现步骤摘要】
一种基于聚碳酸酯的聚合物波导爆炸物气体传感器
本专利技术属于光波导传感领域，特别涉及一种侧链含偶极发色团结构的电光聚碳酸酯材料在马赫曾德尔干涉仪结构的气体传感器中的应用。
技术介绍
在信息化社会，传感技术已经广泛地应用到各个领域，如食品安全，环境监测，工业生产等，对人们的生活产生了重要的影响。传感技术随着科学迅猛发展，广泛应用于人类的社会生产和科学研究中，成为国民经济和社会发展的一项重要技术。目前，在一些极端环境下，如高温高压，强电磁场，超低温等条件，迫切需要高灵敏度，抗干扰能力强的传感器来实现对传感目标的实时监测。光学传感器的发展满足了这方面的需求。光学传感器能够抗电磁干扰，灵敏度较高，器件结构设计灵活多样，应用范围较广。光学传感器在温度、压力、磁场等环境条件变化下，会引起光波参量，如强度、相位等的变化，通过检测相应光波参量的变化来实现传感。因此近几十年来，光学传感器已经逐渐成为光学、医学、生物、化学、材料学等领域的重点研究对象。其中，光波导传感器由于具有集成度高，抗电磁干扰，体积小，灵敏度高等优点，是生化传感的一个重要实现平台，受到了国内外广泛的关注和研究。利用聚合物材料制作的光波导传感器成本低，制作工艺简单，与光纤的耦合损耗小，适合大规模制造。爆炸物气体检测在公共安全，工业生产等领域有着重要的应用价值，实现对爆炸物气体的快速响应和高灵敏度的检测对于公共场所比如火车站，飞机场的安检具有重要的实际意义。因此，爆炸物气体传感器的研究对于公共安全具有重要的价值。但是，现有的聚合物波导爆炸物气体传感器所使用的敏感聚合物材料由于孔隙较小响应时间较长，不利于实际应用。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于聚碳酸酯的聚合物波导爆炸物气体传感器，侧链含偶极发色团的多孔聚碳酸酯作为爆炸物传感器的敏感包层，实现其气体检测的快速响应。本专利技术采用的技术方案为：一种基于聚碳酸酯的聚合物波导爆炸物气体传感器，以未极化的电光聚合物材料作为爆炸物气体传感器的敏感包层，所述未极化的电光聚合物材料为侧链含偶极发色团的多孔聚碳酸酯。进一步地，所述侧链含偶极发色团的聚碳酸酯的结构为：其中，y:(x+z)＝1:1。进一步地，所述爆炸物气体传感器为：依次包括输入直波导、1×2光功分器、两个非对称的马赫曾德臂、2×1合波器以及输出波导连接而成。更进一步地，所述两个非对称的马赫曾德臂，其中第一条臂为一定宽度的直波导，第二条臂由输入锥形波导、宽度小于第一条臂的窄直波导、输出锥形波导连接而成。进一步地，所述两个非对称的马赫曾德臂的两臂长度不相同。更进一步地，所述1×2光功分器为双模Y分支，2×1合波器为单模Y分支。进一步地，所述1×2光功分器为单模Y分支，2×1合波器为单模Y分支。本专利技术的有益效果：本专利技术根据非对称马赫曾德臂，其有效折射率不同，在敏感包层折射率发生变化时，两臂的有效折射率变化不同，使得两臂的相位差发生改变，根据输出干涉谱波长的漂移，对爆炸气体进行探测；具有以下优点：1、本专利技术采用未极化的电光聚合物材料，该电光聚合物材料是一种侧链含偶极发色团的聚碳酸酯多孔材料，孔隙中的偶极发色团可以快速地吸附缺电子的硝基爆炸物气体，使薄膜的折射率发生改变，实现了高灵敏度的气体探测；2、本专利技术的传感器可实现对2,4-二硝基甲苯、硝基苯这类爆炸气体的灵敏检测；3、本专利技术提供的传感器结构简单，易于集成；4、本专利技术提供的非对称马赫曾德臂，其中第一条臂为一定宽度的直波导，第二条臂由输入锥形波导、宽度小于第一条臂的窄直波导、输出锥形波导连接而成；窄波导在敏感包层折射率变化时，其有效折射率变化较大，可使得两臂的相位差该变量大，易于检测。附图说明图1为本专利技术实施例提供的马赫曾德尔干涉仪结构的聚合物光波导爆炸物气体传感器的三维结构和器件切面图；其中，1为输入直波导，2为1×2光功分器，31和32分别为两个非对称的马赫曾德臂4为2×1合波器，5为输出波导，6为输入锥形波导，7为输出锥形波导；图2为本专利技术实施例提供的图1所示结构的两个非对称马赫曾德臂的模场光斑分布图；其中，图2(a)为宽的直波导对应的模场光斑分布，图2(b)为窄的直波导对应的模场光斑分布；图3为本专利技术实施例提供的在室温条件下，由EOPC1所制备的马赫曾德尔干涉仪波导对硝基苯挥发气体的检测结果；图4为本专利技术实施例提供的在室温条件下，EOPC1所制备的MZ波导2,4-二硝基甲苯挥发气体的检测结果。具体实施方式为便于本领域技术人员理解本专利技术的
技术实现思路
，下面结合附图对本
技术实现思路
进一步阐释。已报道的爆炸物气体探测器多数都是基于电学传感，在强电场或磁场条件下易受干扰，导致测量误差，而基于光纤传感的爆炸物气体探测器难以集成，结构灵活度差。针对以上问题，本专利技术提出了一种马赫曾德尔干涉仪结构的新型光波导爆炸物气体探测器，所设计的光波导探测器以折射率传感为原理，响应速度快，抗电磁干扰，器件结构简单易于集成实现手持式检测。而现有的聚合物波导爆炸物气体传感器所使用的敏感聚合物材料由于孔隙较小响应时间较长，不利于实际应用。针对此问题，本专利技术提出了侧链含偶极发色团的多孔聚碳酸酯作为爆炸物传感器的敏感包层，实现其气体检测的快速响应。结合两臂非对称的结构和电光聚合物材料对于爆炸物气体的快速吸附作用，构造了一种新型光波导传感器，所述传感器采用一种未极化的电光聚合物材料做为敏感包层，该电光聚合物材料是一种侧链含偶极发色团的聚碳酸酯多孔材料，孔隙中的偶极发色团可以快速地吸附缺电子的硝基爆炸物气体，使薄膜的折射率发生改变。所述侧链含偶极发色团的多孔聚碳酸酯结构为：其中，y:(x+z)＝1:1。本实施例以如图1所示的两个非对称的马赫曾德臂的传感器为例进行说明：所述传感器结构为依次包括输入直波导1、1×2光功分器2、两个非对称的马赫曾德臂(31和32)、2×1合波器4以及输出波导5连接而成；在本实施例中：两个非对称的马赫曾德臂其中第一条臂为一定宽度的直波导31，第二条臂由输入锥形波导6、宽度小于第一条臂的窄直波导32、输出锥形波导7连接而成，1×2光功分器2为双模Y分支，2×1合波器4为单模Y分支。实现原理为：传感器的工作光源为C+L波段宽度光源，光由单模光纤从输入直波导输入，经过双模Y分支分配到宽度不同的两臂波导进行传输，由于两臂的宽度不同导致其有效折射率不同。当上包层的电光聚合物折射率因爆炸物气体的浓度变化发生改变时，两臂的有效折射率变化不同，如图2所示为两个非对称马赫曾德臂的模场光斑分布图，其中窄波导的有效折射率变化较大，使得两臂的相位差发生改变，导致输出干涉谱波长的漂移。不同爆炸物气体种类和浓度对应不同的干涉中心波长，由此实现对爆炸物气体种类和浓度的检测。本实施例的偶极发色团以EOPC1为例进行说明，EOPC1结构如下：根据设计的器件结构，用聚合物材料制作出马赫曾德尔波导传感器，分别检测硝基苯挥发气体和2,4-二硝基甲苯挥发气体硝基苯的检测结果如图3所示，2,4-二硝基甲苯的检测结果如图4所示。如图3和图4所示，在室温条件下，随着时间增加，两种气体的浓度增加，干涉谱的波长相应地向长波长方向漂移，当电光聚合物对于气体的吸收达到饱和时，波长不再移动。如图3和图4所示，由于两种气体分子的化学性质不同，器件的响应时间，波长漂移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于聚碳酸酯的聚合物波导爆炸物气体传感器，其特征在于，以未极化的电光聚合物材料作为爆炸物气体传感器的敏感包层，所述未极化的电光聚合物材料为侧链含偶极发色团的多孔聚碳酸酯。

【技术特征摘要】
1.一种基于聚碳酸酯的聚合物波导爆炸物气体传感器，其特征在于，以未极化的电光聚合物材料作为爆炸物气体传感器的敏感包层，所述未极化的电光聚合物材料为侧链含偶极发色团的多孔聚碳酸酯。2.根据权利要求1所述的一种基于聚碳酸酯的聚合物波导爆炸物气体传感器，其特征在于，所述侧链含偶极发色团的聚碳酸酯的结构为：其中，y:(x+z)＝1:1。3.根据权利要求2所述的一种基于聚碳酸酯的聚合物波导爆炸物气体传感器，其特征在于，所述爆炸物气体传感器为：依次包括输入直波导、1×2光功分器、两个非对称的马赫曾德臂、2×1合波器以及输出波导连接而成。4.根据权利要求3所述的一种基于聚碳酸酯的聚合物波...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴杰云，蒋炼钟，陈开鑫，邓国伟，郑建成，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51