基于硫系光纤侧面抛光中红外倏逝波传感器 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
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基于硫系光纤侧面抛光中红外倏逝波传感器
作者: irglass 时间: 2022-11-28 浏览:739 次

       近日,我室研究生杨怡涛(第一作者)和张培晴研究员(通讯作者)在期刊“Ceramics International”发表了题为“Mid-infrared evanescent wave sensor based on side-polished chalcogenide fiber” 的论文(49,1291-1297,2023)。文章链接:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.09.108

       中红外波段覆盖了化合物的基本振动区,且分子基本振动的吸收峰强度比可见区和近红外区强3~5个数量级。利用光纤倏逝波光谱(FEWS)在中红外波段传感不仅能够检测出待测样品中所含的化学物质/浓度,而且能够分析生物组织变化或者追踪生物化学反应,已广泛应用于环境、医学、生物和食品安全领域。增强基于FEWS 的光纤传感器灵敏度的本质是增强光纤倏逝场与分析物之间的相互作用。一种方法是通过对光纤进行拉锥或侧抛,增加或易于倏逝波穿透;另一种方法是在光纤侧抛部分表面涂上一层敏感涂层,通过敏感涂层对待测物的吸附,提高光纤倏逝场作用区的分析物浓度,使得光纤倏逝场与分析物分子之间更强的相互作用。

       本文报道了一种基于硫系光纤侧面抛光的高灵敏度中红外倏逝波传感器。通过制备了两种抛光结构的传感器以优化其传感性能,如图1;并且利用氧化石墨烯(GO)作为敏感涂层修饰硫系侧抛光纤,GO具有极大的比表面积和丰富的含氧官能团,使得GO与气体分子的接触面积大使其更容易吸附气体,如图2。对丁烷作为气体样本进行定行/定量的测试分析,如图3,原始光纤传感器及侧抛光纤传感器对丁烷气体浓度较不敏感,通过线性拟合,它们对丁烷气体的灵敏度分别为0.05284 a.u./vol.%,0.0895 a.u./vol.%。相对而言,涂敷GO的侧抛光纤传感器能有效地检测不同浓度的丁烷气体,其灵敏度为0.27057 a.u./vol.%,分别是原始光纤和 SPF 传感器的 5.11 倍和 3.02 倍。这表明光纤侧抛及GO功能层的修饰可以大大的提高传感器的灵敏度。并且传感器具有较快的响应时间及良好的重复性。这种新型的侧面抛光光纤传感器在在线、现场环境检测方面具有很大的潜力。

图1 侧抛光纤显微镜图;(a)侧抛光纤侧平面;(b)侧抛结构A端面图;(c)侧抛结构 B端面图;

图2  (a) 带有 GO 的侧面抛光区域的 SEM 图像;(b) 带有GO的SPF的截面图;(c) GO-SPF(红线)和SPF(黑线)的拉曼光谱;

图3 丁烷气体的吸收光谱。(a) 原始光纤;(b) SPF;(c) GO-SPF;(d) 传感器在3.37μm处灵敏度的线性拟合;