光纤荧光矿物油浓度测量中氙灯与光纤的耦合分析

　　矿物油污染已成为我国水域的主要环境问题之一, 为掌握污染的动态变化趋势, 需实时在线检测水中痕量矿物油浓度。矿物油中包括很多荧光物质,如多环芳烃) ) ) 萘、蒽、菲、荧蒽、苯并芘及间二甲苯、邻二甲苯、1, 3, 5- 三甲苯、1 , 2, 4- 三甲苯和1,2, 3- 三甲苯等, 它们均具有P电子的未饱和结构。流动的P电子吸收激发能跃迁到较高激发态, 从激发态回到基态时发射荧光。由于不同矿物油所含荧光物质的种类以及各类荧光物质的比例不同, 因此在相同激励条件下不同矿物油的荧光光谱具有不同强度和形状。当被测油种和测量仪器确定后, 可根据荧光强度得到被测矿物油的浓度[1] 。依据上述原理工作的光纤荧光矿物油浓度测量系统组成如图1所示。

　　光源( 脉冲氙灯) 发出的光通过光谱滤光得到确定波长范围的光, 而后分成两部分, 一部分称为参考光, 经光纤传输、光耦合、光电转换后作为参考信号,监测激发光的强度, 以消除激发光光强变化对测量的影响; 另一部分称为激发光, 经由激发光传输光纤到达探头并照射被测水体。被测水体发射的荧光经光纤传输、光耦合、光谱滤光后, 经光电转换、弱信号检测电路得到反映被测水中矿物油浓度的电信号。测量系统中光耦合的目的是将激发光源发出的光功率最大限度地输送进光纤中, 将光纤收集到的荧光最大限度地照射到光电探测器的敏感面上。对激发光耦合和荧光耦合的基本要求是耦合效率高、耦合连接简单方便[ 1] 。

　　1 脉冲氙灯与光纤耦合分析

　　脉冲氙灯与光纤耦合有两种方法: 一是直接耦合, 即将端面经过处理的光纤直接对向脉冲氙灯的发光面; 二是透镜耦合, 即在光纤端面和脉冲氙灯发光面之间放置一些光学元件, 改变光源发光的方向性, 使耦合效率提高。

　　111 脉冲氙灯与光纤直接耦合

　　影响直接耦合效果的主要因素是光源发光面积和光纤纤芯总面积的匹配以及光源发散角和光纤数值孔径的匹配。

　　光源距光纤端面的距离是影响直接耦合效果的最主要因素, 当光源发光面尺寸小于光纤芯径的二分之一时, 光源可看作点光源, 如图2( a) 所示, 此时有:

　　光源尺寸较大时, 可看作是许多偏离了光轴的点光源的集合, 图2( b) 中, B 为点光源偏离光轴的距离等于光纤半径时的情况, 此时只有U角范围内的光线可被光纤传输, 有

　　短弧脉冲氙灯属于朗伯型光源, 即使可将其发光面放置于直接耦合的最佳状态处, 入纤光功率占光源发光总功率的比例仍然非常小, 分析如下:

　　朗伯光源在空间单位立体角的光功率分布和其法线夹角的余弦成正比, 如图4 所示。当发光面小于光纤截面时, 在空间一点P 处, 面积为d s 内所能得到的光功率为