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基于倏逝波原理的光纖傳感器因其靈敏度高、響應速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于液體、氣體及生物化學(xué)傳感等諸多領(lǐng)域。與此同時(shí)，以碲酸鹽玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃和鹵化物晶體等為基質(zhì)材料的中紅外光纖因其具有較寬的紅外透過(guò)范圍，近年來(lái)在中紅外波段傳感領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注?；诟黝?lèi)中紅外光纖倏逝波的傳感技術(shù)多應用于環(huán)境領(lǐng)域的污水監測、大氣監測及生物領(lǐng)域的藥物分析、抗體–抗原反應等。

近期，寧波大學(xué)高等技術(shù)研究院紅外材料及器件實(shí)驗室戴世勛研究員課題組在《硅酸鹽學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“基于中紅外光纖的倏逝波傳感研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。戴世勛研究員主要從事特種光學(xué)玻璃、特種玻璃光纖及器件的研究工作。

這項研究首先概述了中紅外光纖倏逝波傳感原理，介紹了各種中紅外光纖基質(zhì)材料的特點(diǎn)、光纖結構及參數特性，詳細綜述了其在中紅外波段氣體、液體和生物化學(xué)等領(lǐng)域的傳感進(jìn)展，最后對中紅外光纖倏逝波傳感器的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

中紅外光纖倏逝波傳感原理是基于光纖倏逝波和全內反射理論，如下圖所示。當光以合適的角度入射至光纖時(shí)會(huì )以全內反射方式在光纖內部進(jìn)行傳輸，在傳輸的過(guò)程中產(chǎn)生的一種橫貫光纖的波，該波通過(guò)光纖與介質(zhì)的交界處傳輸到光纖端面并以指數形式快速衰減，該波即為倏逝波。

光纖倏逝波傳感器示意圖

中紅外光纖基質(zhì)材料種類(lèi)較多，通常有玻璃和晶體兩大類(lèi)，主要包括：重金屬氧化物玻璃（以碲酸鹽和鍺酸鹽玻璃為主）、氟化物玻璃、硫系玻璃，及鹵化物晶體（單晶和多晶）等，這些基質(zhì)普遍共性具有較寬的紅外光譜透過(guò)范圍。目前，常用的光纖基質(zhì)材料主要集中在氟化物和硫系玻璃以及鹵化物晶體。

幾種典型的中紅外光纖基質(zhì)材料及其性能特征

中紅外光纖傳感研究進(jìn)展：氟化物玻璃光纖是一種目前已商用的低損耗紅外光纖，利用氟化物玻璃光纖與Fourier光譜儀連接實(shí)現對液體和氣體濃度的光譜檢測；主要的檢測技術(shù)分為兩種：一種是將氣體吸收池與氟化物玻璃光纖直接進(jìn)行對接耦合；另外一種檢測技術(shù)是利用光纖倏逝波光譜技術(shù)。硫系玻璃光纖倏逝波傳感始于20世紀80年代，光纖基質(zhì)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；利用硫系玻璃光纖倏逝波傳感可有效實(shí)現對廢水污染物監測、有機溶液監測以及對化學(xué)反應過(guò)程追蹤。硫系光纖倏逝波傳感器還可以對多種細胞代謝異常進(jìn)行原位在線(xiàn)監測，具有靈敏度高、響應速度快、工作波段范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在醫學(xué)、微生物學(xué)領(lǐng)域極具應用前景。紅外晶體光纖傳感主要聚焦鹵化銀光纖（AgCl）。

遠程紅外光纖碳氫化合物傳感器的示意圖

基于倏逝波原理，利用中紅外玻璃和晶體光纖在中遠紅外波段的各種傳感研究近年來(lái)取得了長(cháng)足進(jìn)步，已實(shí)現對10–12/10–9量級有機物溶液或mg/L微量氣體定量和定性的檢測，相應的一些商用產(chǎn)品已初見(jiàn)倪端。但仍存在一些尚待解決的問(wèn)題：

（1）適合用于中遠紅外傳感的Te基硫系玻璃光纖和AgBrCl晶體光纖還未真正實(shí)現商品化，中紅外光纖基本主要依托科研機構實(shí)驗室的研制，其光纖制備工藝仍在完善中，光纖的性能質(zhì)量（如光纖損耗）穩定性和規格（如光纖直徑大?。┑慕y一性有待解決，新型抗彎曲和高機械強度的中紅外光纖基質(zhì)材料也有待開(kāi)發(fā)，相應光纖結構優(yōu)化也應跟進(jìn)。

（2）基于中紅外光纖的傳感器整機的集成技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)化有待進(jìn)一步發(fā)展，其中小型化寬光譜中紅外光源和高靈敏度的Fourier紅外光譜儀是兩大核心組件，前者可以用全光纖化的中紅外超連續譜光源代替氙燈等傳統光源，中紅外光纖與系統其它器件的連接、集成與封裝都是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。我們相信中紅外光纖由于其獨特寬的紅外傳輸特性，其倏逝波傳感器今后必將在未來(lái)環(huán)境監測、生物醫學(xué)等領(lǐng)域有其廣闊的用武之地。

該項目獲得國家自然科學(xué)基金（62090064，61875094）、寧波大學(xué)研究生院科學(xué)研究基金和寧波大學(xué)王寬誠基金的支持。