一種光纖探針泄漏模諧振多元參量傳感方案

01 導(dǎo)讀

光纖表面波傳感器在生化醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、電化學(xué)檢測等諸多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。然而，對于實際傳感應(yīng)用，待測物質(zhì)間以及待測物質(zhì)與傳感器之間的相互作用通常會引起傳感器表界面環(huán)境與周圍體環(huán)境的同時動態(tài)變化，這對于傳感器多元參量傳感性能提出了較高要求。近日，溫州大學(xué)李志紅副教授研究團(tuán)隊提出了一種光纖探針泄漏模諧振多元參量傳感方案，基于單個光纖探針泄漏模諧振在無交叉敏感條件下實現(xiàn)了傳感器微環(huán)境內(nèi)體/面環(huán)境參量高靈敏區(qū)分測量，研究成果以“Discriminating Bulk and Surface Refractive Index Changes with Fiber-Tip Leaky Mode Resonance”為題在 Journal of Lightwave Technology 上發(fā)表，溫州大學(xué)李志紅副教授為論文的第一作者/通訊作者。

02 研究背景

目前報道的多數(shù)光纖表面波傳感器通常是基于光纖側(cè)壁傳感結(jié)構(gòu)，即傳感區(qū)域位于光纖包層或去掉包層的纖芯表面，傳感區(qū)域長度通常在厘米級別。例如，通過在光纖包層表面涂覆金薄膜可激發(fā)表面等離子體共振，利用其強(qiáng)倏逝場效應(yīng)能實現(xiàn)高靈敏的傳感檢測。然而，厘米量級的傳感元件不利于傳感器件的微型化和集成化的發(fā)展。同時，較大尺寸的傳感區(qū)域需要較大量級的試劑，意味著傳感元件不同區(qū)域會探測到不同的信號強(qiáng)度、甚至不同物質(zhì)的傳感信號，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地獲取待測物的信息。

近年來，光纖端面或光纖錐型端面表面波傳感方案受到關(guān)注，主要包括基于光纖端面貴金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體共振、基于光纖端面介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的光子晶體共振、基于光纖端面周期介質(zhì)結(jié)構(gòu)的布洛赫共振等方案。然而，這些方案需要精確制備特殊設(shè)計的微納米結(jié)構(gòu)或周期結(jié)構(gòu)，器件制備難度高，且需要昂貴的精密加工設(shè)備等，這些因素限制了光纖端面?zhèn)鞲蟹桨傅膹V泛應(yīng)用。另一方面，物質(zhì)間相互作用往往會導(dǎo)致光纖傳感器件周圍微環(huán)境內(nèi)體參量和面參量的同時變化，表現(xiàn)為體環(huán)境折射率(即體折射率)和面環(huán)境表面介質(zhì)層厚度的同時變化，即傳感信號不可避免地受到體參量和面參量交叉敏感的影響。因此，發(fā)展能同時區(qū)分測量體、面參量變化的微型化高靈敏光纖傳感器有重大應(yīng)用需求。

03 創(chuàng)新研究

3.1 光纖探針泄漏模諧振

泄漏模為不滿足波導(dǎo)條件的高階模式，因其高損耗特性而長期被忽視。然而，泄漏模的模場主要分布于波導(dǎo)周圍的外部環(huán)境中，這為高靈敏傳感提供了可能。本項工作報道了一種光纖探針泄漏模諧振(leaky mode resonance，LeMR)傳感方案。如圖1所示，傳感元件由多模光纖和涂覆在光纖端面的微納米薄膜(titanium dioxide，TiO2)構(gòu)成。其中，多模光纖僅作為入射和反射光波的傳輸通道，端面薄膜本質(zhì)為微納米薄膜波導(dǎo)，支持導(dǎo)模、包層模和泄漏模。傳感器周圍體環(huán)境參量為體折射率，面環(huán)境參量為表面介質(zhì)層厚度。

圖1 光纖探針LeMR原理

圖源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 1)

入射光經(jīng)多模光纖傳輸后以入射角θ傳輸至端面薄膜波導(dǎo)內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)，由于纖芯-包層界面全反射角的限制，入射角θ非常小(遠(yuǎn)小于薄膜波導(dǎo)導(dǎo)模和包層模的激發(fā)角度)，導(dǎo)致只有特定波長即諧振波長處的光纖纖芯模的能量才能耦合進(jìn)入薄膜波導(dǎo)和外界環(huán)境內(nèi)，即激發(fā)光纖探針泄漏模，其模場以駐波形式主要分布于外界環(huán)境內(nèi)。因諧振波長處的能量泄漏，在多模光纖反射光譜中的諧振波長處會產(chǎn)生相應(yīng)的光纖探針LeMR，且具有弱偏振相關(guān)特性，如圖2所示。

圖2 光纖探針LeMR反射譜

圖源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 3)

3.2 體環(huán)境傳感特性

圖3為TiO2薄膜波導(dǎo)厚度為400 nm時光纖探針LeMR的體環(huán)境傳感特性。體環(huán)境特征參量即體折射率的增大引起了所有光纖探針LeMR諧振強(qiáng)度的持續(xù)增大，說明有更多的光纖纖芯模能量泄漏至外界環(huán)境內(nèi)(即薄膜波導(dǎo)-外界環(huán)境界面的透射率增大)。在LeMR諧振強(qiáng)度增大的過程中，其諧振波形保持穩(wěn)定，同時諧振波長一直保持不變，這清晰地說明體環(huán)境的變化僅引起LeMR諧振強(qiáng)度的變化，而對諧振波長沒有影響。因此，可通過監(jiān)測光纖LeMR諧振強(qiáng)度的變化來獲取體環(huán)境的動態(tài)變化過程。研究發(fā)現(xiàn)，光纖探針LeMR的諧振強(qiáng)度隨體折射率作線性變化，通過線性擬合即可得到相應(yīng)的體環(huán)境傳感靈敏度。由圖可知，前三個光纖探針LeMR的體環(huán)境傳感靈敏度分別達(dá)到57.63 dB/RIU、52.60 dB/RIU和48.73 dB/RIU(均取絕對值)。進(jìn)一步研究表明，通過調(diào)控薄膜波導(dǎo)厚度，能進(jìn)一步優(yōu)化其傳感特性，即隨著薄膜厚度增加，光纖探針LeMR的體傳感特性逐漸提高，如圖4所示。

圖3 光纖探針LeMR體環(huán)境傳感特性

圖源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 4)

圖4 光纖探針LeMR體環(huán)境傳感特性隨薄膜波導(dǎo)厚度的變化

圖源: Journal of Lightwave Technology (2022)

https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 5)

3.3 面環(huán)境傳感特性

圖5為TiO2薄膜波導(dǎo)厚度為400 nm時光纖探針LeMR的面環(huán)境傳感特性。面環(huán)境特征參量即表面介質(zhì)層厚度的增大引起所有光纖探針LeMR諧振波長發(fā)生紅移。在LeMR波長紅移的過程中，其諧振波形保持穩(wěn)定，同時諧振強(qiáng)度有較小的變化，但第一個光纖探針LeMR諧振強(qiáng)度變化最小(僅變化約0.12 dB，處于背景噪聲水平)，這說明面環(huán)境的變化主要引起LeMR諧振波長漂移，而對諧振強(qiáng)度影響很小。因此，可通過監(jiān)測光纖探針LeMR諧振波長漂移來獲取面環(huán)境的動態(tài)變化過程。研究發(fā)現(xiàn)，光纖探針LeMR諧振波長隨表面介質(zhì)層厚度作線性變化，通過線性擬合即可得到相應(yīng)的傳感靈敏度。由圖可知，前三個光纖探針LeMR的面環(huán)境傳感靈敏度分別達(dá)到0.589 nm/nm、0.274 nm/nm和0.161 nm/nm。

圖5 光纖探針LeMR面環(huán)境傳感特性

圖源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 6)

同時，通過調(diào)控薄膜波導(dǎo)厚度，能進(jìn)一步優(yōu)化光纖探針LeMR的面環(huán)境傳感特性。如圖6所示，隨著薄膜波導(dǎo)厚度增加，光纖探針LeMR的面環(huán)境傳感靈敏度逐漸提高，且對諧振強(qiáng)度的影響近似以指數(shù)規(guī)律減小(在薄膜波導(dǎo)厚度增大至440 nm時，面環(huán)境變化僅引起約0.1 dB諧振強(qiáng)度變化，低于背景噪聲水平)。這清晰地說明通過調(diào)控薄膜波導(dǎo)厚度，能極大減弱甚至消除體環(huán)境和面環(huán)境的交叉敏感，從而基于單個光纖探針LeMR在無交叉敏感的條件下實現(xiàn)體環(huán)境和面環(huán)境的高靈敏區(qū)分測量。

圖6 光纖探針LeMR面環(huán)境傳感特性隨薄膜波導(dǎo)厚度的變化

圖源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 7)

04 應(yīng)用與展望

本文提出了一種光纖探針LeMR體/面環(huán)境多元參量傳感方案，基于單個光纖探針LeMR在無交叉敏感的條件下實現(xiàn)了傳感器微環(huán)境內(nèi)體/面參量高靈敏區(qū)分測量。相比于傳統(tǒng)器件，該方案不需要在光纖側(cè)壁或端面加工微納結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，微納米薄膜材料選擇范圍廣。相比于現(xiàn)有的多通道、多次測量等傳感技術(shù)，該方案僅通過單次檢測單個光纖探針LeMR的諧振波長和強(qiáng)度動態(tài)變化過程，就能同時實現(xiàn)傳感器微環(huán)境內(nèi)體環(huán)境和面環(huán)境多元參量的高靈敏區(qū)分測量，且交叉敏感小，不需要多通道或參照系統(tǒng)。同時，該方案為典型的反射式傳感系統(tǒng)，輸入信號和傳感信號均在低損耗全光纖結(jié)構(gòu)中傳輸，光路簡單，非常適用于遠(yuǎn)程在線原位檢測，進(jìn)一步結(jié)合波分、時分等信息處理技術(shù)以及功能薄膜材料的特異性響應(yīng)特性，能方便地實現(xiàn)多點分布式特異性傳感組網(wǎng)。

05 作者簡介

李志紅(論文第一/通訊作者) 副教授/碩士生導(dǎo)師

李志紅，博士，副教授，新湖青年學(xué)者，碩士生導(dǎo)師，主要從事光纖傳感技術(shù)、激光與光電子技術(shù)等方面的研究工作，特別在光波導(dǎo)理論、光場調(diào)控、光纖傳感理論與技術(shù)等方面有深入研究。主持國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、溫州市基礎(chǔ)研究計劃等項目3項，參與國家自然科學(xué)基金、浙江省重點研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金等縱向項目7項。近年來在Optics Letter、Optics Express、IEEE/Optica Journal of Lightwave Technology、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics、IEEE Sensors Journal、Optics and Laser Technology、IEEE Photonics Journal、Applied Physics Express、Journal of Applied Physics等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文30余篇，含《光學(xué)學(xué)報》專題“光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用”特邀論文1篇，申請國家發(fā)明專利20余項(已授權(quán)15項)。擔(dān)任Frontiers in Sensors 期刊Review Editor，長期擔(dān)任Optics Letter、IEEE/Optica Journal of Lightwave Technology、Annalen der Physik、IEEE Access、Applied Optics等期刊審稿人。目前依托浙江省光電功能與數(shù)字化檢測國際科技合作基地、微納光電子器件溫州市重點實驗室、溫州大學(xué)微納結(jié)構(gòu)與光電器件研究所等省市?？蒲衅脚_開展科研工作。

審核編輯：湯梓紅