中红外光纤倏逝波传感原理

基于倏逝波原理的光纤传感器因其灵敏度高、响应速度快、成本低等优点，已广泛应用于液体、气体及生物化学传感等诸多领域。与此同时，以碲酸盐玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃和卤化物晶体等为基质材料的中红外光纤因其具有较宽的红外透过范围，近年来在中红外波段传感领域得到了广泛关注。基于各类中红外光纤倏逝波的传感技术多应用于环境领域的污水监测、大气监测及生物领域的药物分析、抗体–抗原反应等。

据麦姆斯咨询报道，近期，宁波大学高等技术研究院红外材料及器件实验室戴世勋研究员课题组在《硅酸盐学报》期刊上发表了以“基于中红外光纤的倏逝波传感研究进展”为主题的综述文章。戴世勋研究员主要从事特种光学玻璃、特种玻璃光纤及器件的研究工作。

这项研究首先概述了中红外光纤倏逝波传感原理，介绍了各种中红外光纤基质材料的特点、光纤结构及参数特性，详细综述了其在中红外波段气体、液体和生物化学等领域的传感进展，最后对中红外光纤倏逝波传感器的发展趋势进行了展望。

中红外光纤倏逝波传感原理是基于光纤倏逝波和全内反射理论，如下图所示。当光以合适的角度入射至光纤时会以全内反射方式在光纤内部进行传输，在传输的过程中产生的一种横贯光纤的波，该波通过光纤与介质的交界处传输到光纤端面并以指数形式快速衰减，该波即为倏逝波。

光纤倏逝波传感器示意图

中红外光纤基质材料种类较多，通常有玻璃和晶体两大类，主要包括：重金属氧化物玻璃（以碲酸盐和锗酸盐玻璃为主）、氟化物玻璃、硫系玻璃，及卤化物晶体（单晶和多晶）等，这些基质普遍共性具有较宽的红外光谱透过范围。目前，常用的光纤基质材料主要集中在氟化物和硫系玻璃以及卤化物晶体。

几种典型的中红外光纤基质材料及其性能特征

中红外光纤传感研究进展：氟化物玻璃光纤是一种目前已商用的低损耗红外光纤，利用氟化物玻璃光纤与Fourier光谱仪连接实现对液体和气体浓度的光谱检测；主要的检测技术分为两种：一种是将气体吸收池与氟化物玻璃光纤直接进行对接耦合；另外一种检测技术是利用光纤倏逝波光谱技术。硫系玻璃光纤倏逝波传感始于20世纪80年代，光纤基质材料主要包括：硒基Se-As-Ge、Se-Ge、Se-As和碲基Te-As-Se、Te-Ge-Se玻璃；利用硫系玻璃光纤倏逝波传感可有效实现对废水污染物监测、有机溶液监测以及对化学反应过程追踪。硫系光纤倏逝波传感器还可以对多种细胞代谢异常进行原位在线监测，具有灵敏度高、响应速度快、工作波段范围广等优点，在医学、微生物学领域极具应用前景。红外晶体光纤传感主要聚焦卤化银光纤（AgCl）。

远程红外光纤碳氢化合物传感器的示意图

基于倏逝波原理，利用中红外玻璃和晶体光纤在中远红外波段的各种传感研究近年来取得了长足进步，已实现对10–12/10–9量级有机物溶液或mg/L微量气体定量和定性的检测，相应的一些商用产品已初见倪端。但仍存在一些尚待解决的问题：

（1）适合用于中远红外传感的Te基硫系玻璃光纤和AgBrCl晶体光纤还未真正实现商品化，中红外光纤基本主要依托科研机构实验室的研制，其光纤制备工艺仍在完善中，光纤的性能质量（如光纤损耗）稳定性和规格（如光纤直径大小）的统一性有待解决，新型抗弯曲和高机械强度的中红外光纤基质材料也有待开发，相应光纤结构优化也应跟进。

（2）基于中红外光纤的传感器整机的集成技术研发和市场化有待进一步发展，其中小型化宽光谱中红外光源和高灵敏度的Fourier红外光谱仪是两大核心组件，前者可以用全光纤化的中红外超连续谱光源代替氙灯等传统光源，中红外光纤与系统其它器件的连接、集成与封装都是关键技术问题。我们相信中红外光纤由于其独特宽的红外传输特性，其倏逝波传感器今后必将在未来环境监测、生物医学等领域有其广阔的用武之地。