中紅外光纖倏逝波傳感原理

基于倏逝波原理的光纖傳感器因其靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于液體、氣體及生物化學(xué)傳感等諸多領(lǐng)域。與此同時(shí)，以碲酸鹽玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃和鹵化物晶體等為基質(zhì)材料的中紅外光纖因其具有較寬的紅外透過(guò)范圍，近年來(lái)在中紅外波段傳感領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注?；诟黝愔屑t外光纖倏逝波的傳感技術(shù)多應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域的污水監(jiān)測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)及生物領(lǐng)域的藥物分析、抗體–抗原反應(yīng)等。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，寧波大學(xué)高等技術(shù)研究院紅外材料及器件實(shí)驗(yàn)室戴世勛研究員課題組在《硅酸鹽學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“基于中紅外光纖的倏逝波傳感研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。戴世勛研究員主要從事特種光學(xué)玻璃、特種玻璃光纖及器件的研究工作。

這項(xiàng)研究首先概述了中紅外光纖倏逝波傳感原理，介紹了各種中紅外光纖基質(zhì)材料的特點(diǎn)、光纖結(jié)構(gòu)及參數(shù)特性，詳細(xì)綜述了其在中紅外波段氣體、液體和生物化學(xué)等領(lǐng)域的傳感進(jìn)展，最后對(duì)中紅外光纖倏逝波傳感器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

中紅外光纖倏逝波傳感原理是基于光纖倏逝波和全內(nèi)反射理論，如下圖所示。當(dāng)光以合適的角度入射至光纖時(shí)會(huì)以全內(nèi)反射方式在光纖內(nèi)部進(jìn)行傳輸，在傳輸?shù)倪^(guò)程中產(chǎn)生的一種橫貫光纖的波，該波通過(guò)光纖與介質(zhì)的交界處傳輸?shù)焦饫w端面并以指數(shù)形式快速衰減，該波即為倏逝波。

光纖倏逝波傳感器示意圖

中紅外光纖基質(zhì)材料種類較多，通常有玻璃和晶體兩大類，主要包括：重金屬氧化物玻璃（以碲酸鹽和鍺酸鹽玻璃為主）、氟化物玻璃、硫系玻璃，及鹵化物晶體（單晶和多晶）等，這些基質(zhì)普遍共性具有較寬的紅外光譜透過(guò)范圍。目前，常用的光纖基質(zhì)材料主要集中在氟化物和硫系玻璃以及鹵化物晶體。

幾種典型的中紅外光纖基質(zhì)材料及其性能特征

中紅外光纖傳感研究進(jìn)展：氟化物玻璃光纖是一種目前已商用的低損耗紅外光纖，利用氟化物玻璃光纖與Fourier光譜儀連接實(shí)現(xiàn)對(duì)液體和氣體濃度的光譜檢測(cè)；主要的檢測(cè)技術(shù)分為兩種：一種是將氣體吸收池與氟化物玻璃光纖直接進(jìn)行對(duì)接耦合；另外一種檢測(cè)技術(shù)是利用光纖倏逝波光譜技術(shù)。硫系玻璃光纖倏逝波傳感始于20世紀(jì)80年代，光纖基質(zhì)材料主要包括：硒基Se-As-Ge、Se-Ge、Se-As和碲基Te-As-Se、Te-Ge-Se玻璃；利用硫系玻璃光纖倏逝波傳感可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水污染物監(jiān)測(cè)、有機(jī)溶液監(jiān)測(cè)以及對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程追蹤。硫系光纖倏逝波傳感器還可以對(duì)多種細(xì)胞代謝異常進(jìn)行原位在線監(jiān)測(cè)，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、工作波段范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。紅外晶體光纖傳感主要聚焦鹵化銀光纖（AgCl）。

遠(yuǎn)程紅外光纖碳?xì)浠衔飩鞲衅鞯氖疽鈭D

基于倏逝波原理，利用中紅外玻璃和晶體光纖在中遠(yuǎn)紅外波段的各種傳感研究近年來(lái)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，已實(shí)現(xiàn)對(duì)10–12/10–9量級(jí)有機(jī)物溶液或mg/L微量氣體定量和定性的檢測(cè)，相應(yīng)的一些商用產(chǎn)品已初見(jiàn)倪端。但仍存在一些尚待解決的問(wèn)題：

（1）適合用于中遠(yuǎn)紅外傳感的Te基硫系玻璃光纖和AgBrCl晶體光纖還未真正實(shí)現(xiàn)商品化，中紅外光纖基本主要依托科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的研制，其光纖制備工藝仍在完善中，光纖的性能質(zhì)量（如光纖損耗）穩(wěn)定性和規(guī)格（如光纖直徑大小）的統(tǒng)一性有待解決，新型抗彎曲和高機(jī)械強(qiáng)度的中紅外光纖基質(zhì)材料也有待開(kāi)發(fā)，相應(yīng)光纖結(jié)構(gòu)優(yōu)化也應(yīng)跟進(jìn)。

（2）基于中紅外光纖的傳感器整機(jī)的集成技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)化有待進(jìn)一步發(fā)展，其中小型化寬光譜中紅外光源和高靈敏度的Fourier紅外光譜儀是兩大核心組件，前者可以用全光纖化的中紅外超連續(xù)譜光源代替氙燈等傳統(tǒng)光源，中紅外光纖與系統(tǒng)其它器件的連接、集成與封裝都是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。我們相信中紅外光纖由于其獨(dú)特寬的紅外傳輸特性，其倏逝波傳感器今后必將在未來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有其廣闊的用武之地?！　?/p>