基于分段結(jié)構(gòu)的多模光纖倏逝波傳感器

沈建華等

摘要： 為了實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低濃度的溶液分析與測量，提出了一種基于多模光纖的分段式倏逝波傳感器。采用有機(jī)玻璃板和高拋光PVC管構(gòu)成光纖支架，將60/125 μm階躍多模光纖分段等長度剝除涂覆層后纏繞于光纖支架上，其無涂覆層部分位于兩兩PVC管之間，經(jīng)過化學(xué)腐蝕去除包層后獲得60 cm長吸收距離的光纖倏逝波傳感器。用不同濃度亞甲基藍(lán)溶液和寬光源對傳感器特性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種分段式的光纖倏逝波傳感器的靈敏度（1.298×10-5 L/mmol）遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于直形不分段L=6 cm的傳感器的靈敏度（1.020×10-2 L/mmol），同時(shí)該傳感器保持良好的機(jī)械強(qiáng)度，可以更好地應(yīng)用于低濃度溶液物質(zhì)的定性定量分析。

關(guān)鍵詞： 多模光纖； 倏逝波傳感器； 高靈敏度； 分段結(jié)構(gòu)

中圖分類號： TP 212文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.004

Abstract： In order to achieve the analysis and measurement of high sensitivity， low concentration of solution， a segmented evanescent sensor based on multimode fiber was proposed. The sensor was fabricated with the 60/125 μm stepindex multimode optical fiber wrapped around a scaffold. The scaffold was integrated using highly polished PVC pipe. The optical fiber was peeled off the same length coating layer at the same distance and the section peeled off coating layer was between the two PVC pipes. Multimode fiber evanescent wave sensor with the bare core length of 60 cm can be obtained by application of chemical corrosion method. The test was carried out using the methylene blue solution and wide light source for studying the characteristics of sensor. The experimental results showed that the sensitivity （1.298×10-5 L/mmol） of the segmented optical fiber evanescent wave sensor was far better than the sensitivity （1.020×10-2 L/mmol） of 6 cm straight optical fiber evanescent wave sensor. It still had good mechanical strength， and can be applied in qualitative and quantitative analysis of the low concentration solution materials.

Keywords： multimode fiber； evanescent wave sensor； high sensitivity； segmented structure

引言光纖倏逝波傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、光譜范圍寬、成本低，可以很好地應(yīng)用于物質(zhì)成分探測或特定物質(zhì)含量的測量，因此成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[15]。20世紀(jì)中后期到現(xiàn)在是光纖倏逝波傳感器的快速發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)，不同光學(xué)系統(tǒng)的倏逝波型光纖傳感器應(yīng)用于生物探測，化學(xué)成分分析，氣體濃度分析，環(huán)境監(jiān)測等各個(gè)領(lǐng)域[68]。目前，光纖倏逝波傳感器的結(jié)構(gòu)主要有直形、D形、錐形、U形、S形等。直形結(jié)構(gòu)[9]簡單，易制備和操作，但目前的制作工藝制約了光纖傳感區(qū)的長度和直徑，限制了傳感器的性能；D形結(jié)構(gòu)[10]和錐形結(jié)構(gòu)[11]的靈敏度相對直形有所提高；S形和U形結(jié)構(gòu)[1214]的靈敏度與彎曲半徑有關(guān)，彎曲半徑越小，傳感器的靈敏度越高，但是彎曲半徑越小，傳感器越容易折斷。為了實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低濃度的溶液分析與測量，設(shè)計(jì)了一種基于多模光纖的分段式倏逝波傳感器。這種分段結(jié)構(gòu)的多模光纖倏逝波傳感器的靈敏度（1.298×10-5 L/mmol）遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于直形不分段的傳感的靈敏度（1.020×10-2 L/mmol），同時(shí)保持良好的機(jī)械強(qiáng)度，在物質(zhì)成分探測及分析領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用價(jià)值。1分段光纖倏逝波傳感器原理分段式光纖倏逝波傳感器在傳感區(qū)將溶液、氣體等待測物質(zhì)作為包層，待測物的吸收會使倏逝波能量衰減，可以通過檢測傳輸能量及光譜的變化來得到待測物的相關(guān)信息，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

光纖吸收損耗后能量傳輸關(guān)系可以表示為[15]：Pout=∑Nj=1rjPiexp（-αηjL）（1）式中：Pout為輸出光功率；Pi為入射光功率；rj是第j個(gè)模式中傳播的能量占總能量的百分比，在使用非相干光源時(shí)，每個(gè)模式傳播的能量占總能量的百分比近似相等[15]；α是被測物質(zhì)的消光系數(shù)，α=ε C/lge，其中ε和C分別表示被測物質(zhì)的摩爾吸收系數(shù)和濃度；ηj是第j個(gè)模式中包層功率占總功率的百分比；L（L=L1+L2+L3）為傳感長度。光學(xué)儀器第37卷

第3期沈建華，等：基于分段結(jié)構(gòu)的多模光纖倏逝波傳感器

對于多模光纖，ηj可以表示為[16]：ηj=∫θu（z）0∫π/20λnexsin3θsin2φπD1n21sin2θc（sin2θc-sin2θsin2φ）1/2dθdφ∫θu（z）0∫π/20sinθcosθsin2φdθdφ（2）式中：λ為入射的波長；n1為纖芯的折射率；nex是溶液的折射率，通常小于包層的折射率n2；θ為子午光線的入射角；φ為斜光線的入射角；θc=arcos（nex/n1）是纖芯與溶液臨界角的補(bǔ)角；D1為分段區(qū)的直徑；θu（z）為子午光線的入射角的上限。在溶液折射率不隨濃度變化時(shí)，光纖倏逝波傳感器的靈敏度可表示為[17]：SC=-1PoutdPoutdC（3）結(jié)合式（1）和式（3）可求得靈敏度表達(dá)式為：SC=∑Nj=1rjPiexp（εηjL/lge）（4）則在物質(zhì)摩爾吸收系數(shù)一定的條件下，靈敏度可以表示為：S=SCε=1ε∑Nj=1rjPiexp（εηjL/lge）（5）分析式（2）和式（5）可以得出，影響傳感器靈敏度的結(jié)構(gòu)參數(shù)有L和D1。減小傳感區(qū)的纖芯直徑或增加傳感區(qū)距離都可以增強(qiáng)物質(zhì)的吸收，增大傳感器靈敏度，但為了保證傳感器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，纖芯直徑不能無限減小。而傳感區(qū)L越長，其物理強(qiáng)度越差，后續(xù)增加的單位長度的傳感光纖對傳感器靈敏度的貢獻(xiàn)越來越小[18]。分段結(jié)構(gòu)光纖倏逝波傳感器能有效地激發(fā)光纖中低階模到高階模的轉(zhuǎn)變，提高傳感器的靈敏度，且分段數(shù)越多，纖芯中會有更多的高階模式被激發(fā)，從而進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度[19]。2傳感器制備及實(shí)驗(yàn)

2.1傳感器制備傳感光纖：階躍型多模石英光纖（長飛光纖光纜有限公司），其纖芯直徑為60 μm，纖芯+包層為125 μm，纖芯+包層+涂覆層為250 μm，數(shù)值孔徑是0.22，纖芯折射率為1.473 5，包層折射率為1.457 5。光纖支架：支架采用PVC管和有機(jī)玻璃板組成，其中PVC管分為四個(gè)形狀一致并同等大小的1/4圓弧A1、A2、A3、A4，有機(jī)玻璃板包括兩塊形狀一致并同等大小的B1和B2，分別將A1、A2、A3、A4粘合在B1和B2之間的四個(gè)角上。本文選擇光纖總長約2 m的傳感光纖，兩端分別留出約0.2 m長的光纖熔接光纖跳線。其他部分光纖用剝線鉗分段等長度剝除涂覆層（本文所制備傳感器剝除長度為1.5cm），未去涂覆層部分與PVC管接觸，去涂覆層部分平直位于1/4圓弧之間。繞制結(jié)束后，將傳感器放入HF（40%）∶NF4F（分析純）∶H2O（去離子水）為1∶2∶6的光纖腐蝕液中，并通過參考光纖和輸出光功率的變化來監(jiān)測傳感器的腐蝕情況，直到傳感區(qū)光纖包層被腐蝕完畢。制備好的光纖倏逝波傳感器如圖2所示。

2.2系統(tǒng)構(gòu)建光纖倏逝波傳感器系統(tǒng)由VIS寬光源（海洋光學(xué)，LS1LL）、所制備的傳感器、SMA905光纖跳線、USB4000微型光纖光譜儀（海洋光學(xué)）、USB數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)組成，如圖3所示。

參考光譜的測量：由圖3可知，VIS寬光源通過SMA905光纖跳線將光耦合進(jìn)入射光纖，經(jīng)入射光纖傳輸至光纖傳感器，光纖傳感器整體放入去離子水中，經(jīng)傳感獲得去離子水的光譜信息，并保存，而后將去離子水排出。樣品光譜的測量：在水槽內(nèi)注入待測樣品，當(dāng)光通過纖芯傳感區(qū)，溶液作為光纖新的包層，在溶液與纖芯界面處光波以倏逝波的形式在溶液中傳播，溶液中的物質(zhì)對倏逝波選擇吸收使光強(qiáng)發(fā)生變化，攜帶有待測樣品信息的光波通過USB微型光纖光譜儀檢測處理后傳輸至計(jì)算機(jī)，經(jīng)比較去除去離子水的光譜信息，最終獲得待測樣品的信息。

2.3實(shí)驗(yàn)測試過程溶液配制：本實(shí)驗(yàn)通過電子天平稱0.037 39 g亞甲基藍(lán)（C16H18ClN3S·3H2O，分子量：373.9，分析純），用去離子水溶解稀釋后，采用1 000 mL容量瓶稀釋定容獲得100 μmol/L的亞甲基藍(lán)溶液。而后分別稀釋配制不同濃度的亞甲基藍(lán)溶液。光譜測試：采用60 cm分段結(jié)構(gòu)的光纖倏逝波傳感系統(tǒng)測定10～60 μmol/L的亞甲基藍(lán)溶液吸收光譜，同時(shí)以6 cm不分段的直形光纖倏逝波傳感器測定6.26～43.82 mmol/L的亞甲基藍(lán)溶液吸收光譜作為對比實(shí)驗(yàn)。先用傳感器測量去離子水的參考光譜，然后再測量樣品光譜，樣品光譜是在去除去離子水的光譜信息下獲得的，分別如圖4（a）和（b）所示。

從圖4（a）和（b）中可以看出，亞甲基藍(lán)溶液在550～700 nm范圍有吸收，在波長600 nm和660 nm處有強(qiáng)吸收，吸光度A隨著溶液濃度的增加而增大。3結(jié)果和討論本實(shí)驗(yàn)選擇600 nm為測定波長，根據(jù)圖4可以得到亞甲基藍(lán)溶液濃度與吸光度對應(yīng)表，如表1所示。

圖5中（a）的線性回歸方程：A=1.298×10-5C-0.025 4，R2=0.995 2。圖5中（b）的線性回歸方程：A=1.020×10-2 C+0.129 43，R2=0.981 51。本實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)不分段的直形光纖倏逝波傳感器L≥10 cm時(shí)，輸出的光強(qiáng)過小，無法很好地檢測到光譜信號，故采用相同直徑的傳感長度為L=6 cm的不分段的直形傳感器作為對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感區(qū)長達(dá)60 cm的基于分段結(jié)構(gòu)的多模光纖倏逝波傳感器的靈敏度為1.298×10-5 L/mmol；相同直徑的傳感長度L=6 cm的傳感器的靈敏度為0.010 2 L/mmol。分段式光纖倏逝波傳感器傳感距離雖然是相同直徑的傳感長度L=6 cm的不分段直形傳感器的10倍，但是靈敏度卻是它的1 000倍，同時(shí)又能保持良好的機(jī)械強(qiáng)度，因此可以更好的應(yīng)用于低濃度溶液物質(zhì)的定性定量分析。因此可以通過該系統(tǒng)測定溶液吸光度值，采用所建立模型快速獲取待測物質(zhì)濃度。4結(jié)論通過將光纖等距離剝除涂覆層后纏繞于光纖支架，再經(jīng)過化學(xué)腐蝕獲得一種基于多模光纖的分段式倏逝波傳感器。該傳感器在保證一定纖芯直徑的強(qiáng)度下增加了傳感區(qū)長度，提高了倏逝波型傳感器的靈敏度。相對單根直形結(jié)構(gòu)傳感器，該傳感器具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，更易封裝，而且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，能更好的適用于液體或氣體中衡量物質(zhì)的檢測。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高靈敏度光纖倏逝波傳感器還存在加工難度高、制備困難以及重復(fù)性不太穩(wěn)定等問題，還需要進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：程愛婕）