光纖倏逝波化學傳感器靈敏度特性研究

許宏志，樓 俊，黃 杰，譚耀成，沈為民

(中國計量學院光學與電子科技學院，浙江杭州310018)

1 引言

光纖倏逝波化學傳感器是利用倏逝波原理進行傳感的傳感器，具有靈敏度高、結構簡單、易制備、成本低、抗電磁干擾等優點。現已經成功地運用到固體或者液體表面對一些有害物質的檢測，該傳感器能實現快速，實時實地，遠程和安全的檢測。在醫學檢測、環境水質、大氣監測等領域受到廣泛關注，成為當前研究的熱點。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;黃杰［2］等人對本征型光纖倏逝波化學傳感器進行研究;Raikar［3］等人采用多模光纖倏逝波吸收傳感器探測水中的銅(Ⅱ);T.Yoshino［4］等人采用倏逝波場吸收傳感器來檢測飲用水中的氯;李斯本［5］等人運用光纖倏逝波原理，研制出的地溝油和食用植物油快速檢驗和測定的光纖傳感器;Jeffrey S.Crosby［6］等人提出基于光纖倏逝波傳感器運用納米金棒作為傳感物質來探測大氣中的汞元素。以往對于光纖倏逝波吸收傳感器研究及運用一般都是運用固定波長的激光器發出與已知要測物質吸收波長相近的激光，通過光功率計記錄輸出光功率的變化來檢測光纖倏逝波的吸收量，從而得到已知要測物質的一些特性參數。此方法設計處理簡單，分析速度快，但是很難進行物質特征光譜的檢測，這樣就限制了光纖倏逝波傳感器的發展。而運用寬光譜分析技術可以克服傳統光纖倏逝波傳感器的不足，對物質的特征光譜進行檢測，該方法在水環境監測中存在潛在的應用價值。

本文運用Rsoft軟件數值模擬分析光纖倏逝波化學傳感器幾何結構對傳感器靈敏度的影響，運用寬光譜光源和光纖光譜儀構建寬光譜分析檢測系統，分析在不同傳感器結構參數條件下溶液濃度與吸光度(溶液吸收峰)的變化關系，為光纖倏逝波化學傳感器應用于水質監測領域提供理論實驗參考。

2 理論模型

光在光纖中傳播是基于全反射原理，在全反射時有部分光波透出纖芯一包層界面進入到包層大約一個波長量級，并沿著界面流過波長量級距離后重新返回纖芯，沿包層表面流動的光波稱為倏逝波［7］。光纖倏逝波化學傳感器在傳感區將溶液、氣體等待測物質作為包層，待測物的吸收會使倏逝波能量衰減，這樣就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信息［8－14］。其結構原理如圖1所示。

圖1 光纖倏逝波化學傳感器的結構

光纖本征吸收損耗后能量傳輸關系可以表示為［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;L為裸芯長度。

當光線以θ角入射到光纖的纖芯和包層的界面上時，γ與入射角θ的關系式為:

式中，D是纖芯的直徑;λ是入射的光波波長;α是液體的吸收系數;一般等于溶液的摩爾系數與濃度的乘積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傳感器的靈敏度為［16］:

根據式(4)對式(3)求導可得:

從式(5)可以看出，在物質摩爾吸收系數一定的條件下，傳感器靈敏度與傳感器的長度、直徑、入射光波長、入射角度、溶液折射率等因素有關。光纖纖芯直徑D越小，裸芯長度L越長，入射波長λ越長以及纖芯 －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，該模塊是基于時域有限差分光束傳播法(FD-BPM)算法的集成程序，通過建立光纖傳感器模型，設定初始參數，模擬出不同情況下光纖光場傳輸特點以及傳輸功率的情況。

模擬參數設定: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)成線性正比例關系，在波長λ和Δ一定的條件下模擬輸出的歸一化損耗光功率Ps與裸芯長度L，纖芯直徑D的關系，就可以知道當λ，Δ一定的條件下S與L，D的關系。纖芯直徑和裸芯長度與歸一化損耗光功率Ps的關系如圖2所示。

圖2 纖芯直徑和裸芯長度與歸一化損耗光功率Ps的關系

從圖2可以看出，歸一化損耗光功率Ps隨著纖芯直徑減小，裸芯長度的增加而增大，傳感器的長度為9 cm，直徑為10 μm對應的損耗光功率Ps是長度為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成線性正比例關系，所以在λ，Δ一定的條件下，纖芯直徑D越小，裸芯的長度L越長，損耗光功率Ps越大，傳感器的靈敏度S越大。

4 實驗和實驗結果分析

4.1 傳感器的制備

本文運用化學腐蝕的方法［17］分別準備多根總長約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，在中間部位按照實驗要求分別選取1 cm，3 cm，5 cm，7 cm，9 cm的長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比，光纖直徑由原來的125 μm 變成30 μm(運用 NVOEL，正置式金相顯微鏡，NJL－1型透反射兩用測量)。

圖3 光纖腐蝕前后的對比

4.2 實驗系統

實驗系統結構圖如圖4所示，主要由鹵鎢燈LS－1－LL(6.5 W，12 V，波長: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的標準接頭，可以連接鹵鎢燈和光譜儀)，USB4000小型光纖光譜儀(海洋光學)和PC機構成。

圖4 實驗裝置圖

鹵鎢燈光源發出的光經過標準的SMA905接頭耦合進入多模光纖傳輸，光通過經過傳感區后再由SMA905接頭將傳輸光耦合到光纖光譜儀中，數據經PC機進行采集，顯示和存取。

4.3 實驗方法及結果分析

實驗中分別制備多根相同直徑，不同長度和不同直徑，相同長度的傳感器，配制亞甲基藍溶液濃度 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溶液，采樣并記錄不同濃度的亞甲基藍的吸收光譜，傳感器對應亞甲基藍溶液的吸光度如圖5的(a)，(b)，(c)所示，(d)為相同直徑不同長度，傳感器的吸光度與濃度的擬合直線。

分析圖5的(a)，(b)，(c)可以知道亞甲基藍溶液的吸收峰在波長588 nm和664 nm處有強吸收，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，傳感長度越長，吸光度A越大，靈敏度相對越高。

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)為不同直徑對應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)，傳感器的靈敏度遠遠大于纖芯直徑為32 μm(S=0.01398)的傳感器的靈敏度，從而可以得出，在同一濃度區間，傳感器直徑越小，傳感長度越長，靈敏度越高，這與理論和模擬的結果相同。

圖5 直徑等于17 μm，不同傳感長度傳感器對應濃度與吸光度的關系圖

5 結論

運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傳感器，從階躍光線理論出發運用光束傳播法(BPM)分析了傳感器幾何結構參數對靈敏度的影響，實驗對比分析了不同長度、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系。實驗結果和模擬及分析結果相符，傳感區纖芯直徑越細、越長，靈敏度越高。本文的運用的寬光譜分析法研究的光纖倏逝波化學傳感器具有靈敏度高、結構簡單、易制備、實時檢測并且可以避免外界電磁波干擾等優點，在水質檢測方面有著潛在的應用。

圖6 不同直徑傳感器對應濃度與吸光度的關系圖

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