光纤倏逝波传感器由于结构简单、响应快、光谱范围宽、成本低,可以很好地应用于物质成分探测或特定物质含量的测量,因此成为国内外研究的热点^{[1, 2, 3, 4, 5]}。20世纪中后期到现在是光纤倏逝波传感器的快速发展时期,出现了不同结构,不同光学系统的倏逝波型光纤传感器应用于生物探测,化学成分分析,气体浓度分析,环境监测等各个领域^{[6, 7, 8]}。目前,光纤倏逝波传感器的结构主要有直形、D形、锥形、U形、S形等。直形结构^[9]简单,易制备和操作,但目前的制作工艺制约了光纤传感区的长度和直径,限制了传感器的性能;D形结构^[10]和锥形结构^[11]的灵敏度相对直形有所提高;S形和U形结构^{[12, 13, 14]}的灵敏度与弯曲半径有关,弯曲半径越小,传感器的灵敏度越高,但是弯曲半径越小,传感器越容易折断。

为了实现高灵敏度、低浓度的溶液分析与测量,设计了一种基于多模光纤的分段式倏逝波传感器。这种分段结构的多模光纤倏逝波传感器的灵敏度(1.298×10^-5 L/mmol)远远优于直形不分段的传感的灵敏度(1.020×10^-2 L/mmol),同时保持良好的机械强度,在物质成分探测及分析领域具有更好的应用价值。 1 分段光纤倏逝波传感器原理

分段式光纤倏逝波传感器在传感区将溶液、气体等待测物质作为包层,待测物的吸收会使倏逝波能量衰减,可以通过检测传输能量及光谱的变化来得到待测物的相关信息,其结构原理如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 分段光纤倏逝波传感器的结构图 Fig. 1 Structure of segmented optic fiber evanescent wave sensor

光纤吸收损耗后能量传输关系可以表示为^[15]:

对于多模光纤,η_j可以表示为^[16]:

在溶液折射率不随浓度变化时,光纤倏逝波传感器的灵敏度可表示为^[17]:

结合式(1)和式(3)可求得灵敏度表达式为:

分析式(2)和式(5)可以得出,影响传感器灵敏度的结构参数有L和D₁。减小传感区的纤芯直径或增加传感区距离都可以增强物质的吸收,增大传感器灵敏度,但为了保证传感器结构强度,纤芯直径不能无限减小。而传感区L越长,其物理强度越差,后续增加的单位长度的传感光纤对传感器灵敏度的贡献越来越小^[18]。分段结构光纤倏逝波传感器能有效地激发光纤中低阶模到高阶模的转变,提高传感器的灵敏度,且分段数越多,纤芯中会有更多的高阶模式被激发,从而进一步提高传感器的灵敏度^[19]。 2 传感器制备及实验 2.1 传感器制备

传感光纤:阶跃型多模石英光纤(长飞光纤光缆有限公司),其纤芯直径为60 μm,纤芯+包层为125 μm,纤芯+包层+涂覆层为250 μm,数值孔径是0.22,纤芯折射率为1.473 5,包层折射率为1.457 5。

光纤支架:支架采用PVC管和有机玻璃板组成,其中PVC管分为四个形状一致并同等大小的1/4圆弧A₁、A₂、A₃、A₄,有机玻璃板包括两块形状一致并同等大小的B₁和B₂,分别将A₁、A₂、A₃、A₄粘合在B₁和B₂之间的四个角上。

本文选择光纤总长约2 m的传感光纤,两端分别留出约0.2 m长的光纤熔接光纤跳线。其他部分光纤用剥线钳分段等长度剥除涂覆层(本文所制备传感器剥除长度为1.5cm),未去涂覆层部分与PVC管接触,去涂覆层部分平直位于1/4圆弧之间。绕制结束后,将传感器放入HF(40%)∶NF₄F(分析纯)∶H₂O(去离子水)为1∶2∶6的光纤腐蚀液中,并通过参考光纤和输出光功率的变化来监测传感器的腐蚀情况,直到传感区光纤包层被腐蚀完毕。制备好的光纤倏逝波传感器如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 光纤倏逝波传感器示意图 Fig. 2 Schematic diagram of optical fiber evanescent wave sensor

光纤倏逝波传感器系统由VIS宽光源(海洋光学,LS-1-LL)、所制备的传感器、SMA905光纤跳线、USB4000微型光纤光谱仪(海洋光学)、USB数据线和计算机组成,如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 光纤倏逝波传感器系统图 Fig. 3 Fiber evanescent wave sensor system

参考光谱的测量:由图 3可知,VIS宽光源通过SMA905光纤跳线将光耦合进入射光纤,经入射光纤传输至光纤传感器,光纤传感器整体放入去离子水中,经传感获得去离子水的光谱信息,并保存,而后将去离子水排出。

样品光谱的测量:在水槽内注入待测样品,当光通过纤芯传感区,溶液作为光纤新的包层,在溶液与纤芯界面处光波以倏逝波的形式在溶液中传播,溶液中的物质对倏逝波选择吸收使光强发生变化,携带有待测样品信息的光波通过USB微型光纤光谱仪检测处理后传输至计算机,经比较去除去离子水的光谱信息,最终获得待测样品的信息。

溶液配制:本实验通过电子天平称0.037 39 g亚甲基蓝(C₁₆H₁₈ClN₃S·3H₂O,分子量:373.9,分析纯),用去离子水溶解稀释后,采用1 000 mL容量瓶稀释定容获得100 μmol/L的亚甲基蓝溶液。而后分别稀释配制不同浓度的亚甲基蓝溶液。

光谱测试:采用60 cm分段结构的光纤倏逝波传感系统测定10~60 μmol/L的亚甲基蓝溶液吸收光谱,同时以6 cm不分段的直形光纤倏逝波传感器测定6.26~43.82 mmol/L的亚甲基蓝溶液吸收光谱作为对比实验。先用传感器测量去离子水的参考光谱,然后再测量样品光谱,样品光谱是在去除去离子水的光谱信息下获得的,分别如图 4(a)和(b)所示。

图 4

Fig. 4

图 4 亚甲基蓝溶液的吸光度 Fig. 4 The absorbance of the methylene blue solution

从图 4(a)和(b)中可以看出,亚甲基蓝溶液在550~700 nm范围有吸收,在波长600 nm和660 nm处有强吸收,吸光度A随着溶液浓度的增加而增大。 3 结果和讨论

本实验选择600 nm为测定波长,根据图 4可以得到亚甲基蓝溶液浓度与吸光度对应表,如表 1所示。

表 1Table 1)

表 1 亚甲基蓝溶液浓度与吸光度 Tab. 1 Methylene blue solution concentration and absorbance 结构类型 亚甲基蓝溶液浓度/(μmol/L) 吸光度 结构类型 亚甲基蓝溶液浓度/(mmol/L) 吸光度 60 cm 分段结构 10 0.114 6 cm 直形结构 6.26 0.171 20 0.226 12.52 0.263 30 0.345 18.78 0.342 40 0.518 25.04 0.386 50 0.618 31.30 0.467 60 0.753 37.56 0.491

表 1 亚甲基蓝溶液浓度与吸光度 Tab. 1 Methylene blue solution concentration and absorbance

以亚甲基蓝溶液浓度C(mmol/L)作为横坐标,以吸光度A作为纵坐标,对表 1(a)和(b)中数据进行线性回归分析,所得的曲线如图 5(a)和5(b)所示。

图 5

Fig. 5

图 5 亚甲基蓝溶液浓度与吸光度的关系 Fig. 5 The relationship between the concentration of methylene blue solution and the absorbance

图 5中(a)的线性回归方程:A=1.298×10^-5C-0.025 4,R²=0.995 2。

图 5中(b)的线性回归方程:A=1.020×10^-2 C+0.129 43,R²=0.981 51。

本实验室前期实验表明当不分段的直形光纤倏逝波传感器L≥10 cm时,输出的光强过小,无法很好地检测到光谱信号,故采用相同直径的传感长度为L=6 cm的不分段的直形传感器作为对比实验。实验结果表明,传感区长达60 cm的基于分段结构的多模光纤倏逝波传感器的灵敏度为1.298×10^-5 L/mmol;相同直径的传感长度L=6 cm的传感器的灵敏度为0.010 2 L/mmol。分段式光纤倏逝波传感器传感距离虽然是相同直径的传感长度L=6 cm的不分段直形传感器的10倍,但是灵敏度却是它的1 000倍,同时又能保持良好的机械强度,因此可以更好的应用于低浓度溶液物质的定性定量分析。因此可以通过该系统测定溶液吸光度值,采用所建立模型快速获取待测物质浓度。 4 结 论

通过将光纤等距离剥除涂覆层后缠绕于光纤支架,再经过化学腐蚀获得一种基于多模光纤的分段式倏逝波传感器。该传感器在保证一定纤芯直径的强度下增加了传感区长度,提高了倏逝波型传感器的灵敏度。相对单根直形结构传感器,该传感器具有灵敏度高,响应时间快,更易封装,而且具有良好的机械强度,能更好的适用于液体或气体中衡量物质的检测。同时,本实验设计的高灵敏度光纤倏逝波传感器还存在加工难度高、制备困难以及重复性不太稳定等问题,还需要进一步研究。