光纖倏逝波化學(xué)傳感器靈敏度特性研究

許宏志，樓 俊，黃 杰，譚耀成，沈?yàn)槊?/p>

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江杭州310018)

1 引言

光纖倏逝波化學(xué)傳感器是利用倏逝波原理進(jìn)行傳感的傳感器，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制備、成本低、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)已經(jīng)成功地運(yùn)用到固體或者液體表面對(duì)一些有害物質(zhì)的檢測(cè)，該傳感器能實(shí)現(xiàn)快速，實(shí)時(shí)實(shí)地，遠(yuǎn)程和安全的檢測(cè)。在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、環(huán)境水質(zhì)、大氣監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。如王真真［1］等人提出一種基于光纖倏逝波傳感器的磷酸根離子檢測(cè);黃杰［2］等人對(duì)本征型光纖倏逝波化學(xué)傳感器進(jìn)行研究;Raikar［3］等人采用多模光纖倏逝波吸收傳感器探測(cè)水中的銅(Ⅱ);T.Yoshino［4］等人采用倏逝波場(chǎng)吸收傳感器來(lái)檢測(cè)飲用水中的氯;李斯本［5］等人運(yùn)用光纖倏逝波原理，研制出的地溝油和食用植物油快速檢驗(yàn)和測(cè)定的光纖傳感器;Jeffrey S.Crosby［6］等人提出基于光纖倏逝波傳感器運(yùn)用納米金棒作為傳感物質(zhì)來(lái)探測(cè)大氣中的汞元素。以往對(duì)于光纖倏逝波吸收傳感器研究及運(yùn)用一般都是運(yùn)用固定波長(zhǎng)的激光器發(fā)出與已知要測(cè)物質(zhì)吸收波長(zhǎng)相近的激光，通過(guò)光功率計(jì)記錄輸出光功率的變化來(lái)檢測(cè)光纖倏逝波的吸收量，從而得到已知要測(cè)物質(zhì)的一些特性參數(shù)。此方法設(shè)計(jì)處理簡(jiǎn)單，分析速度快，但是很難進(jìn)行物質(zhì)特征光譜的檢測(cè)，這樣就限制了光纖倏逝波傳感器的發(fā)展。而運(yùn)用寬光譜分析技術(shù)可以克服傳統(tǒng)光纖倏逝波傳感器的不足，對(duì)物質(zhì)的特征光譜進(jìn)行檢測(cè)，該方法在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中存在潛在的應(yīng)用價(jià)值。

本文運(yùn)用Rsoft軟件數(shù)值模擬分析光纖倏逝波化學(xué)傳感器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器靈敏度的影響，運(yùn)用寬光譜光源和光纖光譜儀構(gòu)建寬光譜分析檢測(cè)系統(tǒng)，分析在不同傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下溶液濃度與吸光度(溶液吸收峰)的變化關(guān)系，為光纖倏逝波化學(xué)傳感器應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供理論實(shí)驗(yàn)參考。

2 理論模型

光在光纖中傳播是基于全反射原理，在全反射時(shí)有部分光波透出纖芯一包層界面進(jìn)入到包層大約一個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)，并沿著界面流過(guò)波長(zhǎng)量級(jí)距離后重新返回纖芯，沿包層表面流動(dòng)的光波稱為倏逝波［7］。光纖倏逝波化學(xué)傳感器在傳感區(qū)將溶液、氣體等待測(cè)物質(zhì)作為包層，待測(cè)物的吸收會(huì)使倏逝波能量衰減，這樣就可以通過(guò)檢測(cè)傳輸能量及光譜的變化來(lái)得到待測(cè)物的相關(guān)信息［8－14］。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 光纖倏逝波化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)

光纖本征吸收損耗后能量傳輸關(guān)系可以表示為［15］:

式中，Po為輸出光功率;Pi為入射光功率;γ為溶液的有效倏逝波吸收系數(shù);L為裸芯長(zhǎng)度。

當(dāng)光線以θ角入射到光纖的纖芯和包層的界面上時(shí)，γ與入射角θ的關(guān)系式為:

式中，D是纖芯的直徑;λ是入射的光波波長(zhǎng);α是液體的吸收系數(shù);一般等于溶液的摩爾系數(shù)與濃度的乘積εC;n1是纖芯的折射率;n2是液體的折射率。

將式(2)代入式(1)得:

在溶液折射率不隨濃度變化的情況下，則本征型倏逝波光纖化學(xué)傳感器的靈敏度為［16］:

根據(jù)式(4)對(duì)式(3)求導(dǎo)可得:

從式(5)可以看出，在物質(zhì)摩爾吸收系數(shù)一定的條件下，傳感器靈敏度與傳感器的長(zhǎng)度、直徑、入射光波長(zhǎng)、入射角度、溶液折射率等因素有關(guān)。光纖纖芯直徑D越小，裸芯長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，入射波長(zhǎng)λ越長(zhǎng)以及纖芯 －包層折射率之差Δ(Δ=n1－n2)越小，傳感器靈敏度S越大。

3 數(shù)值模擬與分析

本文模擬是采用Rsoft軟件中Beam-prop模塊，該模塊是基于時(shí)域有限差分光束傳播法(FD-BPM)算法的集成程序，通過(guò)建立光纖傳感器模型，設(shè)定初始參數(shù)，模擬出不同情況下光纖光場(chǎng)傳輸特點(diǎn)以及傳輸功率的情況。

模擬參數(shù)設(shè)定:60/125 μm階躍多模石英光纖，纖芯直徑 60 μm，包層 125 μm，纖芯折射率1.4735，包層折射率 1.4575，溶液折射率為1.3333，入射波長(zhǎng)為632.8 nm。由上述分析可知，光纖倏逝波吸收傳感器靈敏度是由L，D，Δ，λ共同決定的;而由式(4)、(5)可以得出靈敏度S與輸出歸一化損耗光功率Ps=(Pi－Po)成線性正比例關(guān)系，在波長(zhǎng)λ和Δ一定的條件下模擬輸出的歸一化損耗光功率Ps與裸芯長(zhǎng)度L，纖芯直徑D的關(guān)系，就可以知道當(dāng)λ，Δ一定的條件下S與L，D的關(guān)系。纖芯直徑和裸芯長(zhǎng)度與歸一化損耗光功率Ps的關(guān)系如圖2所示。

圖2 纖芯直徑和裸芯長(zhǎng)度與歸一化損耗光功率Ps的關(guān)系

從圖2可以看出，歸一化損耗光功率Ps隨著纖芯直徑減小，裸芯長(zhǎng)度的增加而增大，傳感器的長(zhǎng)度為9 cm，直徑為10 μm對(duì)應(yīng)的損耗光功率Ps是長(zhǎng)度為1 cm，直徑為60 μm的5倍，因而合理有效的減小纖芯直徑或者增加裸芯長(zhǎng)度都可以增加歸一化損耗光功率Ps。而傳感器的靈敏度S與歸一化損耗光功率Ps成線性正比例關(guān)系，所以在λ，Δ一定的條件下，纖芯直徑D越小，裸芯的長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，損耗光功率Ps越大，傳感器的靈敏度S越大。

4 實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 傳感器的制備

本文運(yùn)用化學(xué)腐蝕的方法［17］分別準(zhǔn)備多根總長(zhǎng)約50 cm的60/125 μm(纖芯折射率1.4735，包層折射率1.4535)階躍型多模石英光纖，在中間部位按照實(shí)驗(yàn)要求分別選取1 cm，3 cm，5 cm，7 cm，9 cm的長(zhǎng)度將塑料涂覆層去除。采用HF(30%)，NH4F(分析純)，H2O(去離子)按一定的比例所配制的光纖腐蝕液(平均腐蝕速度約為0.96 μm/min)。圖3所示為光纖腐蝕前后直徑的對(duì)比，光纖直徑由原來(lái)的125 μm 變成30 μm(運(yùn)用 NVOEL，正置式金相顯微鏡，NJL－1型透反射兩用測(cè)量)。

圖3 光纖腐蝕前后的對(duì)比

4.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，主要由鹵鎢燈LS－1－LL(6.5 W，12 V，波長(zhǎng):360～2000 nm)，60/125 μm石英多模光纖(纖芯折射率1.4735，包層折射率1.4575，兩端都帶有SMA905的標(biāo)準(zhǔn)接頭，可以連接鹵鎢燈和光譜儀)，USB4000小型光纖光譜儀(海洋光學(xué))和PC機(jī)構(gòu)成。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

鹵鎢燈光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SMA905接頭耦合進(jìn)入多模光纖傳輸，光通過(guò)經(jīng)過(guò)傳感區(qū)后再由SMA905接頭將傳輸光耦合到光纖光譜儀中，數(shù)據(jù)經(jīng)PC機(jī)進(jìn)行采集，顯示和存取。

4.3 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中分別制備多根相同直徑，不同長(zhǎng)度和不同直徑，相同長(zhǎng)度的傳感器，配制亞甲基藍(lán)溶液濃度 分別為 6.26，12.52，18.78，25.04 和31.30 mmol/L，將制備好的傳感器首先侵入去離子水中采樣并記錄參考光譜，用吸管吸干去離子水注入不同濃度的亞甲基藍(lán)溶液，采樣并記錄不同濃度的亞甲基藍(lán)的吸收光譜，傳感器對(duì)應(yīng)亞甲基藍(lán)溶液的吸光度如圖5的(a)，(b)，(c)所示，(d)為相同直徑不同長(zhǎng)度，傳感器的吸光度與濃度的擬合直線。

分析圖5的(a)，(b)，(c)可以知道亞甲基藍(lán)溶液的吸收峰在波長(zhǎng)588 nm和664 nm處有強(qiáng)吸收，且吸光度A隨著溶液濃度的增加而增大，從(d)中可以看出，傳感長(zhǎng)度L=7 cm傳感器的靈敏度明顯大于L=3 cm，即在傳感器直徑和溶液濃度相同的情況下，傳感長(zhǎng)度越長(zhǎng)，吸光度A越大，靈敏度相對(duì)越高。

分析圖6的(a)可以知道，傳感器的吸光度隨著纖芯直徑的減小而增大。(b)為不同直徑對(duì)應(yīng)濃度與吸光度的擬合直線，從(b)中可以看出，纖芯直徑越小，吸光度越大，傳感器的靈敏度越高，且纖芯直徑為17 μm(S=0.02007)，傳感器的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纖芯直徑為32 μm(S=0.01398)的傳感器的靈敏度，從而可以得出，在同一濃度區(qū)間，傳感器直徑越小，傳感長(zhǎng)度越長(zhǎng)，靈敏度越高，這與理論和模擬的結(jié)果相同。

圖5 直徑等于17 μm，不同傳感長(zhǎng)度傳感器對(duì)應(yīng)濃度與吸光度的關(guān)系圖

5 結(jié)論

運(yùn)用寬光譜分析法研究一種基于倏逝波原理的光纖倏逝波化學(xué)傳感器，從階躍光線理論出發(fā)運(yùn)用光束傳播法(BPM)分析了傳感器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靈敏度的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了不同長(zhǎng)度、不同直徑傳感器在同一濃度范圍條件下與吸光度和靈敏度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬及分析結(jié)果相符，傳感區(qū)纖芯直徑越細(xì)、越長(zhǎng)，靈敏度越高。本文的運(yùn)用的寬光譜分析法研究的光纖倏逝波化學(xué)傳感器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制備、實(shí)時(shí)檢測(cè)并且可以避免外界電磁波干擾等優(yōu)點(diǎn)，在水質(zhì)檢測(cè)方面有著潛在的應(yīng)用。

圖6 不同直徑傳感器對(duì)應(yīng)濃度與吸光度的關(guān)系圖

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