光纤倏逝波及其应用
最新光纤倏逝波及其应用
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上式表示在发生全反射时, 折射波在沿界面的Z 方向仍具有行波的形式, 在垂直界面的x方向则按指数衰减,
倏逝波的概念
•．
光在边界上满足斯涅耳（Snell’s law）定律：
sin i n2 sin t n1
对于 i ＞ c
i r
斯涅耳定律表明， sint 1
t
是一个折射虚角。
根， 据电磁场理论中的边界条件，
电场强度 E
沿两介质分界面的切向分量必须连续，
在介质2中必然存在电磁场.
介质分界面的波矢
• 由于光纤倏逝与球形微腔、环形微腔回廊模间有很高的耦 合效率，为制作基于锥光纤光学微腔耦合的光通信用窄带 滤波器、光分插复用器、微腔激光器开辟了新的途径。在 现代高新技术领域中，光纤倏逝波的应用将有很好的前景
• 扫描光子隧道显微镜是另一类的近场光学显微镜，见图 1 - 8 ( b ）。这里采用的照明光源与上述的近场光学 显微镜不同，而是与传统显微镜所用光源相似，也用扩 展光源在远场照明，但用暗场照明方式，且传统的光学 仪器的镜头被细小的光学探针所代替，其探针尖端的孔 径远小于光的波长。将这样的探针放置在距样品表面一 个波长以内，可以探测到仅仅存在于表面的非辐射场内 的丰富的有关材料表面精细结构的信息。
光子扫描隧道显微镜（PSTM）是利 用光学隧道效应将探测到的携带物体 表面精细结构信息的非辐射场——倏 逝波，耦合到锥光纤探针的倏逝波， 进而转为沿光纤传输的传播波，经过 对传播波的处理，就可以得到物体表 面的精细结构。
光纤倏逝波生物传感器模板
提高传感器灵敏度是永恒的追 求，未来将通过新材料、新工
艺等手段实现更高灵敏度。
当前面临挑战及解决方案探讨
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度
生物兼容性挑战
光纤倏逝波生物传感器 在生物体内应用时，需 解决生物兼容性问题。 可通过表面改性、生物 分子固定化等方法提高 传感器的生物兼容性。
稳定性挑战
倏逝波生物传感器发展历程
早期研究
20世纪80年代，随着光纤通信技术的快速发展，光纤传感器开始受到广泛关注。倏逝波 生物传感器作为光纤传感器的一个重要分支，也在这个时期开始萌芽。
技术突破
90年代，随着生物技术和光学技术的不断进步，倏逝波生物传感器在灵敏度、选择性和 稳定性等方面取得了显著突破。同时，微纳加工技术的发展也为传感器的微型化和集成化 提供了可能。
传感器在长期使用过程 中，可能会受到环境、 温度等因素的影响导致 性能下降。可通过优化 传感器结构、改进封装 工艺等手段提高稳定性
。
批量化生产挑战
目前光纤倏逝波生物传 感器的生产多为实验室 手工制作，批量化生产 难度较大。可借鉴微电 子加工技术，发展自动 化生产线，实现传感器
的批量化生产。
成本挑战
光纤倏逝波生物传感器 的成本较高，限制了其 在一些领域的应用。可 通过简化传感器结构、 采用低成本材料等途径
光纤倏逝波产生与传输机制
光纤倏逝波的产生
当光在光纤中传播时，由于光的全反 射，光会在光纤芯与包层的界面处产 生倏逝波。倏逝波是一种沿界面传播 并呈指数衰减的电磁波。
光纤倏逝波的传输
倏逝波在光纤中的传输距离取决于光 波长、光纤芯径和折射率等因素。通 过合理设计光纤结构，可以实现对倏 逝波传输的有效控制。
倏逝波在锥形光纤折射率计中的传感作用
近年 来 ，随着 光 纤传感 器 的广 泛研 究 与应用 ， 模 间干涉 型 的新 型光 纤传 感器 越来 越受 到各 国学 者们 的关 注 ．基 于拉 锥结 构 的模 问 干 涉 折 射 率 传 感器 是其 中的一 个 研 究 重 点 ．许 多 波 长 解 调 的 锥 形模 间干 涉传 感器 可 以利 用简 单 的结构 达 到较 高 的折 射率 测 量 灵 敏度 Ｊ．其 原 理 是 通 过 锥 形 区 域产生的较强倏逝波感知外界折 射率 的变化 ，从 而改 变光 纤 内传 播 的 模 式 有效 折 射 率 ．模 式 有 效 折 射率 的变化 引 起 干 涉 相位 差 的改 变 ，表 现在 光
谱 上 即为波 长移 动 ，因此 可 以通 过检 测 光 谱 仪 上 的波长 移动 来解 调 折 射 率 变化 ．目前 文 献 中大 多 以实验 为主 ，并未 研 究 外 界 折 射率 变 化 引起 倏逝 波 能量 变化 与模 式有 效折射 率 变化之 间 的影 响机 理 ．本文 旨在 通过 理论计 算 、仿 真与实 验相结 合 的 方 法证 明倏逝 波对 提 高折射 率测 量 的灵 敏度 起着 至 关重要 的作用 ，明确 了倏 逝 波强 度 与模 式 折射 率 之 间 的 关 系．另 外 ，文 中 基 于 吸 收 光 谱 法 模 型 ［３Ｉ４ 和光 线理论 计算 了不 同锥 区长 度 以及不
Ｓｅｎｓｏｒｙ Ｅｆｅｃｔ ｏｆ Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ Ｗ ａｖｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｔａｐｅｒｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ
ＲＩ Ｓｅｎｓｏｒ
ＣＡＩ Ｌｕ，ＺＨＡＯ ｙ０凡ｇ，ＷＡＮＧ Ｑｉ，ＨＵ Ｈａｉ－ｆｅｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０８１９，Ｃｈｉｎａ．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ：ＺＨＡＯ Ｙｏｎｇ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙｏｎｇ＠ｉｓｅ．ｎｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ）
光纤倏逝波及其应
环境监测
通过将光纤倏逝波技术应用于遥感领域，可以实现大范围 、高分辨率的环境监测。例如，对大气污染物的实时监测 、对森林火灾的预警等。
要点二
地形测绘
利用光纤倏逝波进行干涉测量，可以实现对地形的高精度 测绘。这种技术在地形复杂、环境恶劣的地区具有显著优 势，有助于提高遥感技术的实用性和可靠性。
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水质监测
总结词
光纤倏逝波可用于实时监测水质中的 污染物，如重金属离子、有机污染物、 细菌等，为水资源的保护和治理提供 科学依据。
详细描述
通过光纤倏逝波技术，可以检测水体 中污染物的种类和浓度，从而评估水 质状况。这种技术具有抗干扰能力强、 稳定性高等优点，能够实现长期连续 的水质监测。
土壤成分分析
场安全等领域。
军事通信
保密通信
由于光纤倏逝波的传播特性，使其成为实现长距离、 高保密通信的理想选择。在军事领域，这种技术能够 确保重要信息的传输安全，防止被敌方截获。
导航和定位
利用光纤倏逝波进行光子陀螺仪的研制，可以实现高 精度、高稳定性的导航和定位系统，对于军事侦察和 作战指挥具有重要意义。
遥感技术
02 光纤倏逝波在通信领域的 应用
光纤传感
光纤倏逝波在光纤传感领域的应用主要表现在对外部物理场（如温度、压力、磁 场等）的敏感度上。由于光纤倏逝波在光纤表面传播时，会受到外界物理场的影 响，导致其传播特性发生变化，因此可以通过测量这种变化来感知外部物理场。
光纤倏逝波传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点，因此 在石油、化工、电力、航空航天等领域得到了广泛应用。
光纤放大器具有带宽宽、了广泛应用。
03 光纤倏逝波在医疗领域的 应用
倏逝波在金属表面的应用
倏逝波在金属表面的应用
倏逝波在金属表面的应用主要体现在表面等离子体共振（SPR）的实验中。
当光波入射角大于临界角时，射入金属表面的光会在金属表面发生全内反射，并且向介质中射入约一个波长的深度。
这部分折射光被称为界面全反射的倏逝波，它可以引发金属表面的自由电子相对于正电荷密度的起伏振荡，被称为金属的等离子体振荡。
在特定条件下，等离子体振荡与倏逝波的频率和波数相等，二者将发生共振，形成了电子的集体振荡，入射光被吸收，能量转移给表面等离子体，反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰，引起表面等离子共振效应。
为了证明这一原理的存在，可以在A、B介质表面镀上一层金属（如Ag），其厚度要小于100纳米。
当入射光源以相应的波长或相应的角度入射到金
属和介质的中间位置时，表面等离子波就会和倏逝波产生共振。
这种共振现象我们称作表面等离子体共振，相应的入射角称作共振角，相应的波长称作共振波长。
以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
光纤倏逝波生物传感器教材
实用化、商品化
多样化 材料、器件、功能
光纤倏逝波生物传感器成为研究热点： 实用方便，灵敏度高，可进行远距离实时分析 发展的趋势：小型化、规格化、商品化 研究尚处于发展阶段，新技术的开发和研制具有 重大意义
[1]黄惠杰,崔俊辉,任冰强,等.光纤倏逝波生物传感器及其应 用[J].光学学报，2003,23(4):451 [2]崔俊辉,黄惠杰,杨瑞馥,等.光纤生物传感器用于核算的特 异性检测[J].分析化学，2003,31(1):34 [3]司士辉.生物传感器[M]，北京：化学工业出版社， 2002.12 [4]邓立新.基于倏逝波的光纤生物传感器系统关键技术研 究，博士学位论文，国防科学技术大学研究生院，2006.4 [5]姜广文.光纤倏逝波生物传感器理论分析及信号处理实 验研究，硕士学位论文，国防科学技术大学研究生院， 2005.11 [6]崔俊辉，杨瑞馥.光纤生物传感器及其在微生物检测中 的应用[J],生物技术通讯，2001,12(1):67-69、80
1. 毒品和滥用药品检测 设计出用竞争抑制法分析人类尿液中可卡因及其 代谢产物（COC）的四通道光纤生物传感器 效果：一次实验仅需200s，而且一根光纤平均 可用于11次检测。对于BE检出的灵敏度达到
0.75 ng/mL
2. 临床疾病监测
研制出快速光纤生物传感器用于PC的检测
效果：
一根光纤可连续进行6次实验：用含钙离子pH为9.0的PBS 缓冲液清洗光纤，即实现光纤再生； 实现了对小分子物质的检测，如对败血症和血栓形成 的 特异性标志物二聚体的检测； 与传统的ELISA法相比，光纤生物传感器检测更快（约需 11min），对操作人员也无需特殊要求。
光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基 础的。 光纤的结构图
基于倏逝波的光子晶体光纤THz
光子晶体光纤通常由性 排列,沿光纤的轴向不变,光纤的纤芯由缺失 空气孔或引入一个不同形状的空气孔形成
光子晶体光纤具有许多新颖独特的光传输特性 1.超宽带单模传输 2.色散高度灵活可调 3.大模场面积 4.高双折射效应 5.高非线性
THz波是指频率在0.1-10THz,对应波长在 3mm-30um脚范围内的电磁波，其波段位于 微波和红外光之间
• steering-wheel micro-structured optical fiber (SW-MOF)
• novel SW-MOF
谢谢！
当光由折射率为n2的光密介质入射到折 射率为n1 的光疏介质的界面上时,当入射角 度大于一定角度时就会发生全反射
振幅沿垂直于界面的方向衰减，可以表示为：
对于光纤的导模来说,光在纤芯和包层的界面处发生全 反射,它的电磁场主要被集中在光纤的纤芯中并呈驻波形式, 在纤芯外面的包层中,电场的增幅随距离纤芯的距离增大而 减小,如果在倏逝场的区域存在吸收型介质,波导模在纤芯 和包层的界面的反射系数就会小于1,导模就会发生衰减
三.基于倏逝场激发的表面等离子体共振 表 面 等 离 子 共 振 (surface plasma on resonance，SPR)是一种由光入射金属表面 引起的量子光电现象，但是表面等离子不 能由激光直接照射金属表面产生,可以利用 两介电常数相反的界面处发生的全反射产 生的倏逝波激发金属表面的自由电子产生 表面等离子体，当倏逝波和等离子体的的 频率和波失相等时,就会产生等离子体共振， 入射光被吸收。
高非线性精选pptthz波是指频率在0110thz对应波长在3mm30um脚范围内的电磁波其波段位于微波和红外光之间精选ppt当光由折射率为n的光疏介质的界面上时当入射角度大于一定角度时就会发生全反射精选ppt振幅沿垂直于界面的方向衰减可以表示对于光纤的导模来说光在纤芯和包层的界面处发生全反射它的电磁场主要被集中在光纤的纤芯中并呈驻波形式在纤芯外面的包层中电场的增幅随距离纤芯的距离增大而减小如果在倏逝场的区域存在吸收型介质波导模在纤芯和包层的界面的反射系数就会小于1导模就会发生衰精选ppt当前利用倏逝场传感的主要的方式有以下几种
光纤倏逝波生物传感器
传感器 光纤倏逝波传感器 工作原理 荧光免疫光纤生物传感器系统 –原理，结构 应用及效果 存在的不足 展望 总结
定义：将各种非电量（包括物理量、化学量、 生物量等）按照一定规律转换成便于处理和传 输的另一种物理量（一般为电量）的装置。 组成框图
原理图
组成：生物功能物质的分子识别部分； 信号变换部分 定义：以抗原抗体、酶、核酸、细胞等生物材料作 为敏感元件
光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基 础的。 光纤的结构图
以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器 称为光纤生物传感器
光纤倏逝波生物传感器是基于光波在光纤内以全反射方式传 输时产生倏逝波，来激发光纤纤芯表面标记在分子上的荧光 染料，从而检测通过特异性反应附着于纤芯表面倏逝波场范 围内的生物物质的属性及含量。
1. 毒品和滥用药品检测 设计出用竞争抑制法分析人类尿液中可卡因及其 代谢产物（COC）的四通道光纤生物传感器 效果：一次实验仅需200s，而且一根光纤平均 可用于11次检测。对于BE检出的灵敏度达到
0.75 ng/mL
2. 临床疾病监测
研制出快速光纤生物传感器用于PC的检测
效果：
一根光纤可连续进行6次实验：用含钙离子pH为9.0的PBS 缓冲液清洗光纤，即实现光纤再生； 实现了对小分子物质的检测，如对败血症和血栓形成 的 特异性标志物二聚体的检测； 与传统的ELISA法相比，光纤生物传感器检测更快（约需 11min），对操作人员也无需特殊要求。
传统
无法现场快速检测 无法连续在线分析 操作复杂
改进
缩短检测时间 降低检测样品用量 样本同时分析 全面降低成本
分析速度慢
现场快速检测
光纤倏逝波生物传感器及其应用
光纤倏逝波生物传感器及其应用光纤倏逝波生物传感器是一种先进的生物传感技术，通过利用光纤的优异特性和倏逝波的敏感性，能够高效、快速、精确地检测生物分子和生物反应。
该技术在医学、环保、食品安全等领域具有广泛的应用前景。
光纤是一种细长的光导纤维材料，它具有低损耗、高带宽、抗电磁干扰等优势。
利用光纤进行光传输，能够大大提高传感器的敏感度和灵敏度。
倏逝波是一种沿着光纤表面传播的电磁波，其电场分布在光纤附近的外部介质中，使得它对外部环境变化非常敏感。
将倏逝波与生物分子或反应物相结合，就形成了光纤倏逝波生物传感器。
光纤倏逝波生物传感器的应用非常广泛。
在医学领域，它可以用于检测和监测人体内的生物标志物，如血液中的葡萄糖、胆固醇等。
这些数据可以帮助医生进行早期诊断和治疗，提高患者的生活质量。
在环保领域，传感器可以用于监测水体和空气中的污染物，如重金属、有机物等，及时发现并采取措施，减少对环境的破坏。
在食品安全方面，传感器可以检测食品中的添加剂、农药残留等有害物质，保障人们的食品安全。
要开发出高性能的光纤倏逝波生物传感器，需要注意几个关键问题。
首先是传感器的灵敏度和选择性，即对目标分子的检测能力。
传感器需要具备足够的敏感度，能够检测到低浓度的目标物质，并且排除其他干扰物质的干扰。
其次是传感器的稳定性和可重复性，即传感器在长时间使用和多次使用后，能够保持良好的性能和准确度。
最后是传感器的实用性和便携性，传感器需要具备良好的携带性和易操作性，方便在各个领域进行应用。
总之，光纤倏逝波生物传感器是一种具有广泛应用前景的生物传感技术。
它的高灵敏度、高选择性以及丰富的应用场景，使其在医学、环保、食品安全等领域发挥着重要作用。
未来，随着技术的不断进步和应用需求的增加，相信光纤倏逝波生物传感器会在更多领域展现出巨大的潜力。
光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术
光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术何应;马欲飞;佟瑶;彭振芳;于欣【摘要】In a conventional system of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS), the size of block-like optical collimation focusing lens group is difficult to reduce, and the structural stability is poor, which makes it hard to adapt itself to some special conditions, such as narrow space and vibrating circumstance. Based on this situation, in this research the fiber evanescent wave technique is combined with QEPAS. Therefore, trace gas detection for acetylene (C2H2) based on an all-fiber structural QEPAS system is developed. To obtain the characteristics of fiber evanescent wave, the optical distribution of micro structural fiber is simulated and the evanescent wave power ratio is calculated based on the COMSOL Multiphysics software. In order to increase the QEPAS 2f signal amplitude, the optical path between fiber taper and quartz tuningfork(QTF)and the laser wavelength modulation depth are optimized. In addition, two kinds of QTFs with different resonant frequencies are optimized. Finally,a QTF with a lower resonant frequency of 30.720 kHz is adopted as the acoustic wave transducer, and a minimum detection limit (MDL) of 6.25×10?4(volume fraction)is obtained with a laser wavelength modulation depth of 0.24 cm?1. To investigate the evanescent wave power of micro structural fiber, the fiber taper diameter is measured by a scanning electron microscope. Subsequently, by combining the diameter of fiber taper with the theoretical calculation results, we determine anevanesc ent wave power of 455.9 μW, and the normalization of noise equivalent absorption (NNEA) which indicates the sensor sensitivity is4.18×10?7cm?1·W·Hz?1/2.%采用块状光学准直聚焦透镜组的传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术存在体积难以缩减,结构稳定性不佳,无法适应空间狭小、振动复杂的特殊环境等缺点.基于此,将光纤倏逝波技术与QEPAS技术相结合,提出了一种新型微纳结构光纤QEPAS痕量气体检测技术.实验中,为了提高QEPAS系统信号幅值,优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,同时对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终采用共振频率较低的30.720 kHz石英音叉作为声波探测元件,获得的检测极限为6.25×10?4(体积分数),归一化噪声等效吸收系数为4.18×10?7cm?1·W·Hz?1/2.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)002【总页数】8页(P26-33)【关键词】痕量气体检测;石英增强光声光谱;光纤倏逝波【作者】何应;马欲飞;佟瑶;彭振芳;于欣【作者单位】哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001【正文语种】中文1 引言近年来,人类的活动对环境中各种痕量气体种类以及浓度的影响在持续增加,如大气中的温室气体臭氧(O3)、酸雨催生气体氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2),体积分数为10−12—10−6量级,这些气体的浓度上升直接使环境发生改变[1,2].同时,随着工业化进程的加速,工业生产过程中产生的各种痕量气体,如一氧化碳(CO)、甲烷(CH4),会对人类自身的安全造成影响.因此,对痕量气体进行精确的测量变得十分紧迫.随着激光技术以及光谱技术的不断发展,采用光谱学方法对痕量气体进行测量成为了热点.其中,激光吸收光谱法气体检测技术具有种类鉴别性好、探测灵敏度高、能够实现在线测量等优点,近年来发展迅速.在众多光谱测量技术中,石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS)作为一种新型光声光谱探测技术[3],具有更加鲜明的优势.QEPAS技术采用石英音叉(quartz tuning fork,QTF)作为声波探测元件,石英音叉具有体积小、品质因数高、价格低廉等诸多优点[4,5].目前,QEPAS技术被广泛应用于多种痕量气体的检测研究中[6−11].在传统QEPAS技术中,常采用一组块状光学透镜将激光束聚焦穿过石英音叉叉股间隙,因此,这部分光路存在结构稳定性欠佳、探测单元的尺寸难以缩小等缺点,这些因素在一定程度上限制了该技术的实际应用.光纤具有结构稳定、体积小、传输损耗低等一系列优点,在QEPAS技术中有潜在的应用优势[12].本文采用全光纤传输结构,利用光纤倏逝波技术,开展光纤倏逝波型石英增强光声光谱痕量气体检测技术研究.乙炔(C2H2)气体是变压器绝缘油中的溶解气体之一,是表征电力变压器早期潜伏性故障的重要特征量[13],同时也是聚乙烯生产线上乙烯气流中的污染物之一[14],因此,选择C2H2气体作为测量对象.该研究对C2H2气体浓度的高灵敏度、快速测量在变压器故障诊断、环境监测等领域具有重要意义.2 光纤倏逝场计算倏逝场是指当光以全反射的方式在不同折射率的界面传输时,会有微量的光波渗透到另一折射率介质中,形成一种趋于指数衰减的电磁场,其渗透深度与光波长相当.而在光纤中,光波于纤芯中传输,在纤芯与包层界面发生全反射,因此在光纤包层靠近界面处也会有一部分呈指数衰减的电磁场.光纤倏逝场基本结构如图1所示,将光纤进行相应的处理,可将其直径缩小至与光波长相当,即所谓的微纳结构光纤,于是在光纤与空气的界面处会有一部分光渗透到空气中,这便是光纤倏逝波.若将微结构光纤置于目标探测气体环境中,渗透到空气中的倏逝场就会与周围的介质发生相互作用,本研究正是要利用这种倏逝波作为QEPAS系统中气体吸收的激励源.图1 光纤倏逝场示意图Fig.1.Schematic of fi ber evanescent wave.图2 光纤截面的求解模型Fig.2.Solving model of fi ber interface.图3 不同光纤直径下的截面光场分布(a)D=1.2µm,m=0,neff=1.265727;(b)D=1.0µm,m=0,neff=1.218575;(c)D=0.8µm,m=0,neff=1.152950;(d)D=0.6µm,m=0,neff=1.070514Fig.3.The optical fi eld distribution for different fi ber diameters:(a)D=1.2µm,m=0,neff=1.265727;(b)D=1.0µm,m=0,neff=1.218575;(c)D=0.8µm,m=0, neff=1.152950;(d)D=0.6µm,m=0,neff=1.070514.为掌握微结构光纤中的光场分布以及光纤界面外空间中的光功率分布与大小比例,利用基于有限元分析法的COMSOL Multiphysics软件对光纤的光场分布进行模拟分析以及光功率的理论计算.理论模拟过程中利用COMSOL Multiphysics软件的频域分析功能,首先对光纤结构进行建模,该求解模型为图2所示的两个同心圆,其中,小圆表示光纤截面,外圆表示空气层,模拟的光纤直径为0—3µm,空气层直径为10µm(因为倏逝场渗透深度为光波长量级),折射率分别为1.4378和1.建模完成后,对模型进行精细的网格划分,选择求解模式,由传输激光波长(1.53µm)设置模式分析频率,并以光纤折射率(n=1.4378)为模式的基准点,随后选择物理场与变量,进行计算求解.最终计算直径D=0—3µm范围内的光场分布,部分结果如图3所示.图3中,黑色线圈表示包层与空气层的界面,m表示光的传输模式,neff表示有效折射率,图中光纤直径依次为1.2,1.0,0.8,0.6µm.从计算得到的光纤横截面光场分布可以看出,随着光纤包层直径的减小,溢出光纤包层的光场在空气中的深度增大,同时空气中的光场逐渐变强,即包层直径越小,溢出到空气中的倏逝场越强.根据模拟计算得到的光场结果,利用COMSOL Multiphysics软件的数据后处理,计算不同包层直径下倏逝场的功率与激光总功率之比,最终得到的结果如图4所示.图4 不同光纤直径下的倏逝场功率比例Fig.4.Power fraction of the evanescent wave as a function of fi ber diameter.从图4可以看出,当光纤包层直径大于2µm后,空气中倏逝场的功率大小变化缓慢,在总的光场中所占比例小于10%.而QEPAS技术中,由于信号强度与光场功率成正比,因此,为了增大信号强度,得到更优异的探测极限,拉锥后的光纤直径不宜大于2µm.3 实验装置3.1 激光波长调制深度分析为了便于后续信号处理及增大信噪比,拟采取波长调制及谐波探测的方案[15],这就意味着用低频锯齿波电流使激光器扫描经过整个吸收线,同时用高频正弦波信号对激光器波长进行调制.调制深度是指激光波长调制系数χ与待测目标气体吸收谱线线宽Δγ的乘积.气体吸收系数表达式为式中C为气体浓度,N0为总粒子数密度,S为气体吸收谱线强度,g(v)为标准化线性函数,α0=CN0S/(πγline)为谱线中心吸收系数,x=(v−v0)/γline为无量纲激光波数.当采用频率为ωχ的正弦波进行调制时,x还可以表示为式中ϕ表示采用正弦波调制频率为ωχ时的相位差,改写吸收系数公式,对其进行傅里叶分解,则其中各项傅里叶系数的表达式为在光声光谱技术中,常以二次谐波信号作为被探测的值,其表达式为式中fχ=ωχ/(2π)为调制频率,k为系统转换常数,Ccell为探测器转换系数.由于SPA,2fχ表达式中隐含了χ参量(即隐含了调制深度参量),因此通过优化调制深度便可对QEPAS系统二次谐波信号值进行优化.3.2 实验装置在光纤倏逝波型QEPAS技术实验研究中,设计的实验系统结构如图5所示,系统的控制电路部分主要由波长调制和信号放大解调模块组成,并由电脑通过LabVIEW上位机软件进行操控.由于QEPAS系统信号强度与石英音叉共振频率f0成反比[16],因此,与常见QEPAS技术中共振频率f0为32.768 kHz的石英音叉不同,实验选用共振频率f0为30.720 kHz的石英音叉.在波长调制技术中,一个正弦波调制周期内激光波长两次经过吸收谱线,因此产生的信号频率是正弦波调制频率的2倍,所以当调制频率f为石英音叉共振频率f0的1/2时,石英音叉能够形成共振,进而产生最大的二次谐波信号,实验中石英音叉参数测定的共振频率f0为30716 Hz,因此正弦波频率f设定为f=f0/2=15358 Hz.锯齿波驱动电流作用是使激光器输出激光扫描经过一段特定的波长,覆盖气体吸收峰,实验中设定的锯齿波频率为1/60 Hz.激光激励源选择1.53µm的连续波分布反馈式(DFB)半导体激光器.该半导体激光器通过光纤输出并连接拉锥后的单模光纤(康宁标准SMF-28e+).将光纤锥区放置于石英音叉叉股之间.整个探测单元(包括石英音叉(QTF)和光纤锥区)放置于气室中.光纤锥区与石英音叉相对位置的局部放大如图5右上侧所示.激光经光纤锥区输出后由功率计接收并检测,该功率计用以实时监测光纤的输出功率,可以测量激光经光纤锥区后的功率损耗情况.实验中,10 MΩ的跨阻抗放大器(TA)将石英音叉探测到的电流信号转化为电压值,锁相放大器用此电压信号解调出二次谐波分量(2f).实验中所用的测量气体为体积分数为2%的C2H2(以N2为背景气体).图5 实验系统结构示意图Fig.5.Schematic of QEPAS system.4 实验结果和分析首先对光纤锥在石英音叉叉股间隙处竖直方向上的位置(Y)进行了优化研究,结果如图6所示.从图中可以看到,当Y＜0.5 mm时,QEPAS系统2f信号强度随着Y的增大而迅速增大.当0.5 mm ≤Y≤0.9 mm时,2f信号强度处于最优范围内.当Y＞0.9 mm时,QEPAS系统2f信号强度随着Y的增大而逐渐变小.实验结果表明,QEPAS 系统2f信号强度随着Y的变化而发生改变,这主要是因为Y值过小时,作用在石英音叉上的声波能量会有损失(部分声波从音叉叉股上部溢出),而当Y值过大时,声波作用在石英音叉上的等效力矩将会减小,致使石英音叉叉股摆动幅度变小.在后续的实验中,为了获得最强的2f信号幅值,Y值设定为0.7 mm.图6 QEPAS 2f信号幅值随音叉竖直方向位置的变化Fig.6.Amplitude of QEPAS 2f signal as a function of Y.优化光纤锥与石英音叉的相对位置后,进一步通过实验对激光波长调制深度进行优化,实验结果如图7所示.从图中可以看出,系统存在最佳调制深度,根据结果选择的激光波长最佳调制深度为0.24 cm−1.作为对比,实验还对相同条件下、共振频率f0为32.768 kHz的石英音叉进行了研究.最后,向QEPAS系统气室中通入高纯气体N2,并将其测量值作为噪声数据.两种音叉情况下的2f信号波形以及对应的噪声值如图8(a)和图8(b)所示.从图中可以看出,共振频率为30.720 kHz的石英音叉所对应的系统具有更高的2f信号幅值.同时,从噪声测试结果中能够看出,两系统的噪声值基本相当.经计算,f0为30.720和32.768 kHz的石英音叉对应系统的QEPAS信号幅值分别为0.075和0.068 mV,系统探测极限(MDL,用体积分数表示,下同)分别为6.25×10−4和6.90×10−4.由此可见,共振频率较低的石英音叉对应的QEPAS系统能够获得更高的2f信号幅值.根据实验得到的相关参数进行计算,表1列出了该系统的各参数指标,从中可以看出,共振频率为30.720 kHz的石英音叉更适合用于光纤倏逝波QEPAS技术.图7 QEPAS 2f信号幅值随调制深度的变化Fig.7.Amplitude of QEPAS 2f signal as a function of modulation depth.在QEPAS系统中存在一个评价传感器指标的重要参数,即系统的归一化噪声等效吸收系数(NNEA),这是表征传感器检测灵敏度的一个重要参数.NNEA的计算公式为,其中α为气体吸收系数,由系统探测极限经HITRAN数据库计算得到,P为气体吸收峰处的激光功率,Δf为锁相放大器带宽.在NNEA的计算过程中,需要确定激发探测气体的激光功率,即光纤倏逝场的激光功率.根据第1节的理论模拟计算结果(图4)可知,如果获得光纤锥的直径便可得到倏逝场功率比例,因此,利用扫描电子显微镜(SEM)测量光纤直径,拍摄的光纤锥图像如图9所示.测量得到光纤锥直径为1.77µm,根据理论模拟计算结果可知光纤锥对应的倏逝场比例为9.7%.经实验测量,半导体激光器输出功率为6 mW,通过光纤锥后的激光功率为4.7 mW,光纤锥传输损耗为1.06 dB,进一步计算可得光纤锥的倏逝场功率为455.9µW.最终得到系统的归一化噪声等效吸收系数为4.18 × 10−7cm−1·W·Hz−1/2.图8 不同共振频率f0下QEPAS系统的2f波形及噪声值 (a)2f信号波形;(b)纯N2条件下实验的噪声值Fig.8.2f signal amplitude and noise of QEPAS system with different resonant frequencies:(a)Amplitude of 2f signal;(b)determined noise in pure nitrogen environment.图9 扫描电子显微镜拍摄的光纤锥Fig.9.SEM image of fi ber taper.表1 不同石英音叉共振频率下系统的探测性能Table 1.Experimental results for QTFs with different resonant frequencies.5 结论将光纤倏逝波技术应用于QEPAS技术中,搭建了全光纤结构的QEPAS测量系统.理论模拟计算了光纤倏逝场的光场分布以及倏逝场功率之比,优化了光束与石英音叉的空间位置、激光波长调制深度,对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终在较低共振频率30.720 kHz的石英音叉的实验研究中获得了6.25×10−4的探测极限,计算得到的系统归一化噪声等效吸收系数为4.18 × 10−7cm−1·W·Hz−1/2. 与传统块状光学系统相比,该光纤倏逝波型光路结构有效缩小了QEPAS系统探测单元的体积,提高了系统工作稳定性,有利于QEPAS痕量气体检测技术的实用化.参考文献[1]Khalil M A K,Rasmussen R A 1984 Science 224 54[2]Logan J A,Prather M J,Wofsy S C,McElroy M B 1981 J.Geophys.Res.86 7210[3]Kosterev A A,Bakhirkin Y A,Curl R F,Tittel F K 2002 Opt.Lett.27 1902[4]Liu K,Li J,Wang L,Tan T,Zhang W,Gao X M,Chen W D,Tittel F K 2009 Appl.Phys.B 94 527[5]Ma Y F,Lewicki R,Razeghi M,Tittel F K 2013 Opt.Express 21 1008[6]Zheng H,Yin X,Zhang G F,Dong L,Wu H P,Liu X L,Ma W G,Zhang L,Yin W B,Xiao L T,Jia S T 2015 Appl.Phys.Lett.107 221903[7]Ma Y F,He Y,Zhang L G,Yu X,Zhang J B,Sun R,Tittel F K 2017Appl.Phys.Lett.110 031107[8]Liu K,Zhao W,Wang L,Tan T,Wang G,Zhang W,Gao X,Chen W 2015mun.340 126[9]Dong L,Yu Y J,Li C G,So S,Tittel F K 2015 Opt.Express 23 19821[10]Ma Y F,He Y,Yu X,Chen C,Sun R,Tittel F K 2016 Sensor.Actuat.B 233 388[11]Ma Y F,Yu X,Yu G,Li X D,Zhang J B,Chen D Y,Sun R,Tittel F K 2015 Appl.Phys.Lett.107 021106[12]Ma Y F,He Y,Yu X,Zhang J B,Sun R 2016 Appl.Phys.Lett.108 091115[13]Marshall S T,Schwartz D K,Medlin J W 2009 Sensor.Actuat.B 136 315[14]Miller K L,Morrison E,Marshall S T,Medlin J W 2011 Sensor.Actuat.B 156 924[15]Webber M E,Pushkarsky M,Patel C K N 2003 Appl.Opt.42 2119[16]Ma Y F,Yu G,Zhang J B,Yu X,Sun R,Tittel F K 2015 Sensors 15 7596。
什么是倏逝波
什么是倏逝波倏逝波⼜叫消逝波或者隐失波，其幅值随与分界⾯相垂直的深度的增⼤⽽呈指数形式衰减。
消逝波（⼜称表⾯波，英⽂： Evanescent field）是指当光波在两种介质产⽣全反射时发⽣的光学现象。
定义：⼀般来讲，当光波从光密介质⼊射到光疏介质时，如果⼊射⾓⼤于临界⾓会产⽣全反射现象。
此时有光波虽然不能穿过两种介质的临界⾯，但沿着临界⾯平⾏的⽅向会产⽣光波，其及的复振幅随着远离临界⾯的距离的增⼤⽽呈现指数级的减⼩趋势，这部分光波被称为消逝波，或称为表⾯波。
理论解释：研究发现,物体受光波照射后,离开物体表⾯的光波分为两种成份:⼀部分光向远⽅传播,这是传统能接收的信息;⽽另⼀部分光波只能沿物体表⾯传播,⼀旦离开表⾯就很快衰减。
从⼏何光学的⾓度来看,当发⽣全反射时,光会在玻璃界⾯上完全反射⽽不进⼊液体溶液中。
实际上,由于波动效应,有⼀部分光的能量会穿过界⾯渗透到溶液中,平⾏于界⾯传播。
这部分光就是所谓的隐失波。
隐失波还有另外⼀种解释：对于⼀个有限⼤⼩的物体，其空间频谱是⽆限延伸的。
其中低频分量为传输波分量，⾼频分量为隐失波分量。
即隐失波分量反映物体的细节信息，通过恢复物体的隐失波分量可以实现物体的亚波长成像。
全反射时，光波不是绝对在界⾯上被反射回第⼀介质，⽽是透⼊第⼆介质⼤约⼀个波长的深度，并沿着界⾯流过波长量级距离后重新返回第⼀介质，沿着反射光⽅向射出。
这个沿着第⼆介质表⾯流动的波称为隐失波，曾称倏逝波。
隐失波离开表⾯的衰减是呈指数形式的。
⽅程推导：由于有n1sinθi=n2sinθt，且为，因此可知sinθt>1，cosθt=√(1-sin2θt)=jΓ，其中j为，Γ=√[(n1sinθi/n2)2-1]，Γ为⼀实数。
设⼊射光波的为Ei=Eiosexp[j(ki·r-ωt)]，折射光波⽅程为Et=Eiosexp[j(kt·r-ωt)]，对于⾮情况，由界⾯两侧的B，D，E，H的条件，可以推出ki·r=kt·r=kxx+kyy+kzz，由于r为任意，从⽽得到kisinθi=ktsinθt，（k=2π/λ=2πnν/c，所以这也就是从电磁波⾓度的光折射定律的推导，可以参考相关书籍，这⾥不展开）回到情形，由于⼊射⾯为y=0平⾯，⽮积ki·r=kixsinθi+kizcosθi=kixx+kizz，kt·r=ktxsinθt+ktzcosθt=kixsinθi+jktzΓ=kixx+jktzΓ，代⼊折射光波⽅程Et=Eiosexp[j(kixx+jktzΓ-ωt)]=Eiosexp(-ktzΓ)exp[j(kixx-ωt)]，可见Et的幅值与z呈指数递减，⽽相位则只与x有关，因此隐失波⼀般不是横波。
倏逝波耦合原理
倏逝波耦合原理倏逝波耦合原理是一种重要的物理现象，它被广泛应用于许多领域，如电子、光学、声学和无线通信。
这个原理的应用可以使通信信号更加可靠和稳定。
以下是对倏逝波耦合原理的深入探究。
一、什么是倏逝波耦合原理？倏逝波耦合原理是一种波的相互作用现象，它指的是两个波在同一介质中传播时，相互影响而导致的耦合现象。
这种相互作用可以作用在光学、声波以及电磁波等各种波上。
倏逝波耦合原理的实现需要在传输介质上添加一个特殊的模式，以提高数据的传输效率。
二、如何实现倏逝波耦合原理？实现倏逝波耦合原理需要使用一些特殊的设备，如耦合器和光纤等。
下面是其实现的步骤：1. 在传输介质上安装耦合器：耦合器是一种设备，可以将光纤、电缆等介质当中的电磁波或光波进行耦合。
在使用倏逝波耦合原理时，需要将耦合器安装在传输介质上。
2. 加入特殊模式：为了实现倏逝波耦合原理，需要添加一种特殊的模式来增加传输介质中的数据传输量。
这种模式可以是光的环路、声波的波导器或电磁波传输线。
3. 调节耦合器：为了实现倏逝波耦合原理，需要对耦合器进行调节。
这样可以确保特殊模式的波形与传输介质中已有的波形相匹配。
4. 传输数据：经过上述步骤后，就可以开始传输数据。
在数据的传输过程中，需要确保特殊模式能够与原有的数据稳定耦合，以保障传输的可靠性。
三、倏逝波耦合原理的应用倏逝波耦合原理的应用范围非常广泛。
以下是一些常见的应用场景：1. 无线通信：在无线通信系统中，利用倏逝波耦合原理可以将无线信号与室内网络进行耦合，以提高通信信号的稳定性和可靠性。
2. 光通信：利用倏逝波耦合原理可以实现光波的传输和耦合，以提升光通信的数据传输性能。
3. 传感器：在传感器中，倏逝波耦合原理可以用于测量物理量，例如温度、压力和声音等。
4. 超声波成像：在医学应用等领域中，倏逝波耦合原理可以用于超声波成像，以提高成像的准确性和灵敏度。
总之，倏逝波耦合原理是一种重要的波耦合现象，具有广泛的应用。
光纤倏逝波及其应用
光纤倏逝波生物传感器具有如下优点: 1) 灵敏度高,生物特异性强,因为不受纤芯表面倏逝 波场以外的生物分子的干扰; 2) 操作简单,测量速度快,时间短,因为无需将光纤 从被测溶液中取出和清洗, 杂交反应完成后马上可以进行荧光检测; 3) 可以进行现场检测; 4) 可以对生物反应的动态过程进行监测,即在杂交 反应过程中进行荧光检测; 5) 整机可以小型化； 6）光纤很细，可以通过口腔、血管进入体内检测， 而无需开刀。
穿透深度 :
1 dp 2 2 2 1/ 2 2 (n1 sin i n2 )
由于倏逝波的振幅以指数衰减，在离界面几个 波长处已经变得十分微弱，所以倏逝波效应常 常被忽略。 但自从1975年Kronick 和 Little第一次利用倏 逝波进行一项荧光免疫检定以来，倏逝波荧光 传感器已经历了30年的发展。
结论
• 由于倏逝波的振幅以指数衰减，限制在离界面波长量级 处，这个特点促使光纤倏逝波在现代生物传感器，光纤氢 气传感器等领域大大发挥了作用。
•
随着现代电子及生物技术的迅速发展,光纤倏逝波生物 传感技术已形成一个独立的新兴高科技领域，由于它能提 供快速而有效的分析手段代替传统的实验室技术,从而给 生物医学、环境检测、食品医药工业及军事医学领域直接 带来了新的技术革命。 • 由于光纤倏逝与球形微腔、环形微腔回廊模间有很高的耦 合效率，为制作基于锥光纤光学微腔耦合的光通信用窄带 滤波器、光分插复用器、微腔激光器开辟了新的途径。在 现代高新技术领域中，光纤倏逝波的应用将有很好的前景
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• 以图 1 - 8 ( a ）近场光学显微镜为例，其结构是由 激光器和光纤探针构成的局域光源，带有微动装置的样 品台和由显微镜物镜等构成的光学放大系统三部分组成。 采用具有纳米尺度大小的局域光源，在纳米尺寸的近场 距离内按设定要求逐点扫描照射被测样品，来自样品的 局域光信号由显微物镜放大并经光电倍增管接收和计算 机图像处理，将来自样品各点的局域光信号复原为样品 的图像。 • 扫描光子隧道显微镜是另一类的近场光学显微镜，见图 1 - 8 ( b ）。这里采用的照明光源与上述的近场光学 显微镜不同，而是与传统显微镜所用光源相似，也用扩 展光源在远场照明，但用暗场照明方式，且传统的光学 仪器的镜头被细小的光学探针所代替，其探针尖端的孔 径远小于光的波长。将这样的探针放置在距样品表面一 个波长以内，可以探测到仅仅存在于表面的非辐射场内 的丰富的有关材料表面精细结构的信息。
基于光子晶体光纤倏逝波耦合海水盐度传感机理研究
基于光子晶体光纤倏逝波耦合海水盐度传感机理研究光子晶体光纤倏逝波传感器是近年来发展起来的一项光学检测技术，利用光子晶体光纤导光机制和模式特性来对温度、压力、液体浓度等参数进行精确测量。
标签：光子晶体光纤；倏逝波传感器；盐度1 引言光纤倏逝波传感器是发展最快，最有前途的一种光学传感器。
近年来，随着PCF制备及其熔接技术发展迅速，国内外研究学者采用熔接法先后制作出多种PCF倏逝波传感器。
光子晶体光纤倏逝波传感器对液体浓度进行检测时，只需将传感器放置在待测液体样品池，通过液体对倏逝波场的吸收，再与原传输光进行耦合并与纤芯基模发生干涉，通过计算得到液体浓度。
具有无损、快速准确等特点。
2003年P. V. Preejith等人[1]采用光纤倏逝波传感技术来检测蛋白质含量的传感器。
2009年Anna V. Hine等[2]人提出了光纤光栅和倏逝波传感技术来检测DNA杂交实时监测传感器，最长监测时间高达一小时。
2 基于PCF的倏逝波传感器的相对灵敏度的数值分析本文利用矢量有限元法计算光子晶体光纤中的场分布，分析光纤传输模式的传输常数和模式的有效折射率，研究光子晶体光纤中的倏逝场的特性。
为了研究光子晶体光纤的几何参数和几何结构对于位于空气中能量占光纤传输模式的能量的比重的影响，本文利用数值分析方法分析了六角格子排列的光子晶体光纤的倏逝场的特性，光纤的结构如下图1所示，包层由4层空气孔构成，纤芯由缺空气孔形成的。
2.1 占空比对于倏逝场的相对灵敏度的影响图1为该结构的光子晶体光纤的基模的场分布，能量主要被限制在纤芯中，极少部分的能量进入包层的空气空中。
本文比较了空气孔排布都为六角结构而占空比不同的光子晶体光纤的倏逝场的分布的不同及作为传感器的灵敏度的差异。
在利用有限元法进行数值分析时，空气孔中的折射率设定为1，波导材料石英的折射率设定为1.45，这里忽略了纯石英的材料的折射率随波长的变化。
本文考虑占空比对相对灵敏度的影响，在此，本文通过光子晶体的孔间距不变由改变孔大小来改变光子晶体光纤的占空比和光子晶体的孔直径大小不变，由改变孔间距来改变光子晶体光纤的占空比这两种情况分别进行研究。
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• 2、光纤倏逝波氢气传感器
原理:是基于氢气与某一种特殊物质的可逆化学反 应,如钯(Palladium) 、铂(Platinum) 和氧化锡 (Tinoxide) 等，而产生物理参数和光学特性改变 的原理。 如光纤Pd 膜氢敏传感器,就是指在锥光纤或 光纤光栅包层上溅射与氢气发生化学反应的Pd 膜, 将其置于氢气环境中,其光学特性发生变化。不同 的氢气浓度,反应后生成的PdHx 折射率也不同， 测量折射率从而得到氢气浓度值。
光纤的倏逝波
• 近年来，将光纤融熔拉制成锥光纤后，倏逝波 占导波光的比例大大增加，激发了人们对光纤 倏逝波研究的兴趣。
• 当光纤经融熔拉制成锥光纤时，锥腰很细，其 典型大小为零点几到几个微米。此时原纤芯已 不存在，其中传输的模是属于以空气为包层的 细纤的模。由于锥腰很细，已与光波长同一数 量级，倏逝波场有很大部分的能量透入到介质 2（包层）中。光纤外、内传输的能量比例达 到50~70%甚至更高，这是锥光纤倏逝波将得 以大显身手的重要原因。
结论
• 由于倏逝波的振幅以指数衰减，限制在离界面波长量级 处，这个特点促使光纤倏逝波在现代生物传感器，光纤氢 气传感器等领域大大发挥了作用。
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随着现代电子及生物技术的迅速发展,光纤倏逝波生物 传感技术已形成一个独立的新兴高科技领域，由于它能提 供快速而有效的分析手段代替传统的实验室技术,从而给 生物医学、环境检测、食品医药工业及军事医学领域直接 带来了新的技术革命。 • 由于光纤倏逝与球形微腔、环形微腔回廊模间有很高的耦 合效率，为制作基于锥光纤光学微腔耦合的光通信用窄带 滤波器、光分插复用器、微腔激光器开辟了新的途径。在 现代高新技术领域中，光纤倏逝波的应用将有很好的前景
n1 E E20 exp{ x} exp{ i[ K t sin i z t ]} n2
上式表示在发生全反射时, 折射波在沿界面的Z 方向仍具有行波的形式, 在垂直界面的x方向则按指数衰减, 在媒质2中,沿x方向在波长的数量级内振幅显著 的减少,与Y方向的行波综合考虑,这种波只存在于 第2媒质的表面层,它的等位相面与分界面垂直,等 振幅面与分界面平行,这是一种非均匀波,非辐射波， 被称之为倏逝波 .
光纤倏逝波及其应用
福州大学物理与信息工程学院 黄衍堂
倏逝波的概念
• ．
光在边界上满足斯涅耳（Snell’s law）定律：
sin i n2 sin t n1
对于
i r
斯涅耳定律表明， sin t 1
i
，
＞
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱc
t 是一个折射虚角。 根据电磁场理论中的边界条件 ， 电场强度 E
穿透深度 :
1 dp 2 2 2 1/ 2 2 (n1 sin i n2 )
由于倏逝波的振幅以指数衰减，在离界面几个 波长处已经变得十分微弱，所以倏逝波效应常 常被忽略。 但自从1975年Kronick 和 Little第一次利用倏 逝波进行一项荧光免疫检定以来，倏逝波荧光 传感器已经历了30年的发展。
光纤倏逝波生物传感器具有如下优点: 1) 灵敏度高,生物特异性强,因为不受纤芯表面倏逝 波场以外的生物分子的干扰; 2) 操作简单,测量速度快,时间短,因为无需将光纤 从被测溶液中取出和清洗, 杂交反应完成后马上可以进行荧光检测; 3) 可以进行现场检测; 4) 可以对生物反应的动态过程进行监测,即在杂交 反应过程中进行荧光检测; 5) 整机可以小型化； 6）光纤很细，可以通过口腔、血管进入体内检测， 而无需开刀。
光纤的倏逝波
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光纤倏逝波的应用
• １、光纤倏逝波生物、化学传感器 • 光纤倏逝波生物传感器以生物分子作为 敏感元件进行检测的一类新兴传感器.
• 光纤倏逝波生物传感器原理：在光纤表面上加 上生物识别分子（如羊抗人免疫球蛋白(IgG)） 置入检测环境，当倏逝波穿过受反应后的生物 识别分子时，或产生荧光信号，或导致倏逝波 与光纤内传播光线的强度、相位或频率的改变， 测量这些变化，即可获得生物识别分子上变化 的信息。从而检测通过特异性反应附着于纤芯 表面倏逝波场范围内的生物物质的属性及含量。
沿两介质分界面的切向分量必须连续， 在介质2中必然存在电磁场.
介质分界面的波矢 若在xoz平面内传播, 折射波的电场的复数表示:
Et E20 exp{ i[Kt r t ]}
n1 E E20 exp{ x} exp{ i[ K t sin i z t ]} n2
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3、基于锥光纤与光学微腔耦合
的光通信器件
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锥光纤与微腔的耦合原理示意图
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• 3、基于锥光纤与光学微腔耦合的光通信器件
微环谐振腔的谐振吸收谱线
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微球谐振腔激光器
微球谐振腔的谐振吸收谱线
• 4、锥光纤用于光子扫描隧道显微镜探针 光子扫描隧道显微镜（PSTM）是利 用光学隧道效应将探测到的携带物体 表面精细结构信息的非辐射场——倏 逝波，耦合到锥光纤探针的倏逝波， 进而转为沿光纤传输的传播波，经过 对传播波的处理，就可以得到物体表 面的精细结构。
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• 以图 1 - 8 ( a ）近场光学显微镜为例，其结构是由 激光器和光纤探针构成的局域光源，带有微动装置的样 品台和由显微镜物镜等构成的光学放大系统三部分组成。 采用具有纳米尺度大小的局域光源，在纳米尺寸的近场 距离内按设定要求逐点扫描照射被测样品，来自样品的 局域光信号由显微物镜放大并经光电倍增管接收和计算 机图像处理，将来自样品各点的局域光信号复原为样品 的图像。 • 扫描光子隧道显微镜是另一类的近场光学显微镜，见图 1 - 8 ( b ）。这里采用的照明光源与上述的近场光学 显微镜不同，而是与传统显微镜所用光源相似，也用扩 展光源在远场照明，但用暗场照明方式，且传统的光学 仪器的镜头被细小的光学探针所代替，其探针尖端的孔 径远小于光的波长。将这样的探针放置在距样品表面一 个波长以内，可以探测到仅仅存在于表面的非辐射场内 的丰富的有关材料表面精细结构的信息。