光纤倏逝波及其的应用共23页文档
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。
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
阐述光纤导波原理的应用
阐述光纤导波原理的应用一、光纤导波原理简介光纤导波原理是指光在光纤中传输时，利用光的全反射现象在光纤内部多次发生反射，从而沿光纤传输的现象。
光纤导波原理是光纤通信和光纤传感等应用的基础，通过这种原理，可以将光信号在光纤中传输到目标位置，并实现信号的传输和处理。
二、光纤导波原理的应用领域光纤导波原理在许多领域都有广泛的应用，以下是一些典型的应用领域：1. 光纤通信光纤通信是光纤导波原理最重要的应用之一。
光纤可以将光信号进行稳定和高速传输，光纤通信系统已经成为主流的通信方式。
它具有带宽大、传输距离远、抗干扰性好等优点，被广泛应用于电话、宽带网络、数据中心等领域。
2. 光纤传感光纤导波原理在光纤传感领域也有广泛的应用。
利用光纤的高灵敏度和光纤传输的特性，可以实现对温度、压力、位移等物理量的测量。
光纤传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、不受电磁干扰等特点，在石油、航空、医药等领域有着重要的应用。
3. 光纤激光器光纤激光器是利用光纤导波原理制造的激光器。
光纤激光器具有体积小、功率高、光束质量好等优点，被广泛应用于科研、医学、工业等领域。
光纤激光器的应用范围很广，例如激光切割、激光焊接、激光医疗等。
4. 光纤传输系统在一些特殊环境下，传统的电缆传输方式受到限制，而光纤传输系统具有免疫干扰、安全可靠等特点，广泛应用于军事、航空航天、能源等领域。
光纤传输系统通过光纤导波原理实现数据的传输，可以有效地解决传输距离远、抗干扰性要求高的问题。
三、光纤导波原理的关键技术光纤导波原理的应用离不开一些关键技术的支持，以下是一些光纤导波原理的关键技术：1. 多模光纤和单模光纤多模光纤和单模光纤是光纤传输中最常用的两种光纤类型。
多模光纤可以传输多个模式的光信号，而单模光纤只能传输一个模式的光信号。
多模光纤适用于短距离传输，而单模光纤适用于长距离传输和高容量通信。
2. 光纤连接技术光纤连接技术是保证光纤传输效果的关键技术之一。
光纤连接技术包括光纤连接器、插件件等，能够确保光纤连接的稳定性和可靠性。
光纤倏逝波及其应用
• 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。
•
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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【实用】光纤通信技术及应用PPT资料
复用技术 光复用技术种类很多，其中最为重要的是波分复用（WDM）技术和光时分复用（OTDM）技术。光复 用技术是当今光纤通信技术中最为活跃的一个领域，它的技术进步极大地推动光纤通信事业的发展， 给传输技术带来了革命性的变革。波分复用当前的商业水平是273个或更多的波长，研究水平是1022 个波长（能传输368亿路 ），的潜在水平为几千个波长，理论极限约为15000个波长（包括光的偏 振模色散复用，OPDM）。据1999年5月多伦多的Light Management Group Inc ofToronto演示报导， 在一根光纤中传送了65536个光波，把PC数字信号传送到200m的广告板上，并采用声光控制技术， 这说明了密集波分复用技术的潜在能力是巨大的。OTDM是指在一个光频率上，在不同的时刻传送不 同的信道信息。这种复用的传输速度已达到320Gb/s的水平。若将DWDM与OTDM相结合，则会使复 用的容量增加得更大，如虎添翼。 放大技术
3. 窄带响应可调谐集成光子探测器 由于DWDM光网络系统信道间隔越来越小，甚至到。为此，探测器的响应谱半宽也应基本上达到这个 要求。恰好窄带探测器有陡锐的响应谱特性，能够满足这一要求。集F-P腔滤波器和光吸收有源层于 一体的共振腔增强（RCE）型探测器能提供一个重要的全面解决方案。 4. 基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成（SiGe/Si MQW) 这方面的研究是一大热点。众所周知，硅（Si）、锗（Ge）是间接带隙材料，发光效率很低，不适合 作光电子器件，但是Si材料的半导体工艺非常成熟。于是人们设想，利用能带剪裁工程使物质改性， 以达到在硅基基础上制作光电子器件及其集成（主要是实现光电集成，即OEIC）的目的，这方面已 取得巨大成就。在理论上有众多的创新，在技术上有重大的突破，器件水平日掺有稀土离子的光纤。如掺铒（Er3+）、掺钕（Nb3+）、掺镨 （Pr3+）、掺镱（Yb3+）、掺铥（Tm3+）等，以此构成激光活性物质。这是制造光纤
基于倏逝波的锥形光纤马赫-曾德尔湿度传感器
基于倏逝波的锥形光纤马赫-曾德尔湿度传感器蒋友华;傅海威;丁继军;张静乐;乔学光【摘要】提出了一种基于倏逝波原理的光纤马赫-曾德尔湿度传感器,传感器是在2个单模光纤粗锥的传感臂中心通过绝热火焰熔融拉锥处理而成.光由传感器输入端传入,经过第1个粗锥时,将激发出若干高阶模,各模式光传输经过细锥区进入第2个粗锥时被耦合进入传感器输出端.当外界湿度变化时,细锥区倏逝场随之变化,最终导致透射谱能量变化.通过测量透射谱能量变化,可以实现环境湿度传感测量.实验结果表明,在35%~85%RH的湿度变化范围内,透射谱的能量具有相同变化趋势,处于水蒸气吸收峰附近的干涉谷湿度响应灵敏度可达0.157 dBm/%RH,温度交叉灵敏度仅为0.014 %RH/ ℃.该传感器因其制作简单、灵敏度高,温度交叉敏感小等特点,具有很好的应用前景.%According to the principle of evanescent wave, a humidity sensor based on optics in-fiber Mach-Zehnder interferometer was proposed by using the standard single mode fiber with two waist-enlarged bitapers, and the center of sensing arm was tapered by adiabatic flam-heated fiber tapering machine.The light propagates from the input end of the sensor, the first bitaper excites a number of higher-order modes, each mode transmits through tapered fiber and into the second bitaper,which can be coupled into the output fiber of the sensor.The change of the humidity can lead to the evanescent field of the tapered fiber changing, eventually causes the energy of the transmission spectrum energy to change.The environment humidity sensing measurement can be realized through measuring the variation of transmission spectrum energy.The experimental results show that within the humidity changingscope of 35%~85%, the energies of the transmission spectra have the same variation trend, a valley of interference spectrum near the water vapor absorption peak has the highest sensitivity of 0.157 dBm/%RH, the temperature cross-sensitivity is as low as 0.014 %RH/ ℃.This humidity sensor is advantaged by easy manufacturing, high sensitivity and immunity of temperature cross-sensitivity,it have a great application prospect.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】7页(P140-146)【关键词】湿度传感;锥形光纤;倏逝波;光纤Mach-Zehnder干涉仪;交叉敏感【作者】蒋友华;傅海威;丁继军;张静乐;乔学光【作者单位】西安石油大学理学院光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安 710065;西安石油大学理学院光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安 710065;西安石油大学理学院光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安 710065;西安石油大学理学院光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安 710065;西北大学物理系,陕西西安 710069【正文语种】中文【中图分类】TN253相对湿度(relative humidity,RH)的测量及其控制广泛应用于工农业生产、食品医疗、航空航天、发电变电、纺织、仓储、气象监测等领域。
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
光纤及其应用课件
03
光纤可以用于军事导航定位系统中，提供高精度、高稳定性的
导航定位信号，确保军事行动的准确性和可靠性。
感谢观看
THANKS
置和大小。
核能监控
光纤可以用于核能设施的监控系 统中，实时监测辐射剂量和温度 等参数，确保核设施的安全运行
。
光纤在航空航天领域的应用
卫星通信
光纤可以用于卫星通信中，提供高速、大容量的数据传输服务， 广泛应用于全球通信和广播领域。
飞机导航
光纤可以用于飞机导航系统中，传输高精度、高稳定性的导航信号 ，提高飞行的安全性和准确性。
空间探测
光纤可以用于空间探测器中，传输探测数据和指令，为科学研究提 供重要的信息。
光纤在军事领域的应用
激光武器
01
光纤可以用于激光武器中，传输高能激光束，对敌方目标进行
精确打击和摧毁。
通信保密
02
光纤可以用于军事通信中，提供高速、大容量、高保密性的数
据传输服务，确保军事信息的保密性和安全性。
导航定位
光纤医疗设备
如光纤呼吸机、光纤血压 计等，利用光纤技术提高 设备的准确性和可靠性， 保障患者的治疗效果。
06
光纤在其他领域的应用
光纤在能源领域的应用
太阳能光伏发电
光纤可以用于太阳能光伏发电系 统中，将太阳光传输到光电转换
器上，提高光电转换效率。
石油和天然气勘探
光纤可以用于石油和天然气勘探 中，通过测量地震波、温度和压 力等参数，帮助确定油气藏的位
光纤传感器的应用拓展
拓展光纤传感器的应用领域，满足更多行业 的测量需求。
05
光纤在医疗领域的应用
光纤在医疗诊断中的应用
光纤光谱仪
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
光纤通信原理及应用
光纤通信原理及应用
光纤通信是一种利用光纤作为传输介质的通信技术，它具有传输速度快、信息容量大、抗干扰能力强等优点，因此在现代通信领域得到了广泛的应用。
本文将介绍光纤通信的原理及其在各个领域的应用。
首先，我们来了解一下光纤通信的原理。
光纤通信是利用光纤作为传输介质，通过光的全反射来传输信息的一种通信方式。
光纤内部的光信号可以通过多次的全反射来传输，因此可以实现长距离的传输，而且光信号的传输速度非常快，能够满足现代通信对于高速传输的需求。
此外，光纤通信还具有抗干扰能力强的特点，能够在复杂的环境中稳定地传输信息。
光纤通信在各个领域都有着广泛的应用。
在通信领域，光纤通信可以实现高速、大容量的数据传输，因此被广泛应用于互联网、电话、电视等通信领域。
在医疗领域，光纤通信可以实现医学影像的传输，为医生提供更准确的诊断信息。
在工业领域，光纤通信可以实现工业自动化控制系统的数据传输，提高工业生产的效率和精度。
在科研领域，光纤通信可以实现科学仪器之间的数据传输，为科学研究提供更多的数据支持。
总的来说，光纤通信作为一种先进的通信技术，具有传输速度快、信息容量大、抗干扰能力强等优点，因此在各个领域都有着广泛的应用前景。
随着科技的不断进步，相信光纤通信技术将会在未来发展出更多的应用，为人们的生活和工作带来更多的便利。
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。
增强倏逝波和波导传播模式
增强倏逝波和波导传播模式
在光通信和集成光学领域中，倏逝波和波导传播模式是两个重要的概念。
为了更好地利用这两种现象，我们需要对其进行深入研究和理解，并探讨如何有效地增强它们。
首先，我们需要理解倏逝波和波导传播模式的基本原理。
倏逝波是一种在介质界面上传播的特殊电磁波，由于其能量在空间中迅速衰减，因此只能在靠近界面的区域存在。
而波导传播模式则是指导波在波导结构中传播的方式，可以通过特定的设计来控制和引导光的传播路径。
为了增强这两种现象，我们可以采取一系列措施。
首先，选择具有高折射率差的介质界面，可以使得倏逝波的能量更加集中，从而增强其在界面附近的强度。
此外，采用特殊的光波导结构，如弯曲的波导、多模波导等，可以进一步增强倏逝波的强度和传播距离。
除了对基本原理的理解和实验验证外，我们还需要进行深入的理论研究。
通过建立更加精确的物理模型，我们可以更好地描述倏逝波和波导传播模式的特性，并探索更多增强它们的可能性。
综上所述，增强倏逝波和波导传播模式是一个具有挑战性和潜力的研究方向。
通过深入的理论研究和实验验证，我们可以为光通信和集成光学的发展提供更加有效的技术手段和解决方案。
同时，这一研究领域也需要我们保持开放的心态，不断探索新的思路和方法，以推动光学科技的进步。
倏逝波的物理意义
倏逝波的物理意义
倏逝波是一种特殊的电磁波，通常在两种不同介质的分界面上产生。
由于这种波的全反射现象，它在分界面上产生并沿着分界面传播，其幅值会随着与分界面垂直的深度的增加而呈指数形式衰减。
倏逝波的物理意义主要体现在以下几个方面：
界面电磁特性研究：倏逝波的存在和特性与介质的电磁性质密切相关，通过对倏逝波的研究，可以深入了解不同介质之间的相互作用和介质的电磁特性，对于电磁波传播、光学、电子学等领域的研究具有重要意义。
信号传输和控制：在某些应用中，如光子晶体、光子集成电路等，可以利用倏逝波进行信号的传输和控制。
由于倏逝波在特定结构中具有很高的能量集中度和传播距离，因此可以实现高效、快速的信号传输和调控。
非线性光学效应：倏逝波在非线性光学领域也有着广泛的应用。
通过倏逝波与物质的相互作用，可以实现各种非线性光学效应，如光学倍频、光参量放大等，为光子学器件和光通信技术的发展提供了重要的支撑。
表面增强拉曼散射：倏逝波在表面增强拉曼散射中扮演着重要的角色。
由于倏逝波在金属表面具有较高的能量集中度，它可以增强局域场效应，从而提高拉曼散射的信号强度，对于表面化学和生物分子检测具有重要应用价值。
总之，倏逝波的物理意义在于其在电磁波传播、光学、电子学、光子学等领域中的重要应用，通过对倏逝波的研究和应用，可以推动相关领域的技术发展和创新。