（信号与信息处理专业论文）光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器的研究.pdf

摘要 ii 摘摘 要要 光纤倏逝波传感技术是一种高灵敏度的微量分析技术，在临床医学、水质检测、食品卫生检测和生物战剂检测等方面具有广泛的应用。 其探测机理是通过传感区域围绕纤芯的待测物质对特定波段的倏逝波进行吸收，造成倏逝波的衰减，通过检测作用前后光强的衰减量，确定待测物质的含量。光纤倏逝波传感器的传感区域结构参数将影响传感器的灵敏度。因此，传感区域理论模型是研究整个光纤倏逝波传感技术的首要任务。基于几何光学，建立了锥形过渡区域透射深度关于锥形参数的数学模型、传感区域均匀部分有效吸收路径关于感应芯径和感应长度的数学模型， 并对各个模型进行了研究。讨论了不同锥形参数（发射角、锥度比、锥长）下倏逝波的透射深度，传感区域均匀部分的不同光纤芯径和长度下倏逝波的有效吸收路径，并进行了仿真。仿真结果表明：在传感区域锥形过渡部分，选择合适的锥形光纤几何体和发射角，可以使得透射深度增大近 3 倍， 当锥度比为 0.4 时， 透射深度最大； 在传感区域均匀部分，减小光纤芯径，增大光纤长度可以提高传感区域倏逝波的有效吸收路径。这些结论可以用来指导制作高灵敏度光纤倏逝波传感器。依据这些结论，选用石英光纤和 hf 腐蚀试剂，利用静动结合腐蚀方法，制作了锥形光纤倏逝波传感器。本文首先选用基于光纤光谱仪的生物膜活性检测系统， 用来得到附着在传感器感应区域的生物膜生长过程中的变化吸收光谱图。利用此光谱图，结合生物膜生长过程中的传感区域的电子显微镜照片，可以得到生物膜的特征吸收波长。在此基础上，选用合适的 led 光源和探测器，采用脉冲调制方法，开发了基于窄带发光 led 的生物膜活性检测平台。两种方法实验结果表明， 特征波长处吸收度随时间的变化与细菌数量随时间的变化较吻合，基本实现了生物膜活性的在线检测。 关键词：光纤倏逝波；灵敏度；光纤腐蚀；生物膜；脉冲调制abstract iii abstract evanescent wave sensing technology is a high sensitive microanalysis technology, widely used in clinical medicine, water quality monitoring, food safe and biological warfare agent detection. mechanism of the technology is made use of the absorption that material surrounding the fiber core interacted with the specific band evanescent wave. the material content can be detected through using variation of light density caused by the absorption. the structural parameters of sensing region will influence on the sensitivity of fiber optical evanescent wave sensor. therefore, theoretical model for sensing region is a primary task for researching evanescent wave sensing technology. mathematical models are established based on the geometrical optics, respectively for penetration depth and taper parameters in conical transition region, effective absorptive path and sensing fiber core and length in uniform sensing region. penetration depth in different tapered parameters and effective absorptive path in different are discussed and simulated. the simulation result indicates that penetration depth can be increased about three times through selecting suitable taper parameters and reaches a maximum when the taper ratio is equaled to 0.4, and the effective absorptive path can be enhanced when decrease fiber core and increase fiber length in the sensing region. these results can be used to guide to make high sensitive fiber optical evanescent wave sensor. silica optical fiber and hf corrosive reagent is selected, and tapered fiber optical evanescent wave sensor is manufactured based on the static-dynamic combination etching method. in this paper, biofilm active detection system based on the fiber spectrometer is used firstly to get absorption spectrogram for the process of biofilm development. the feature absorption wavelength of biofilm can be got from the absorption spectrogram and electron microscope figure of biofilm development on the sensing region. according to this absorption wavelength, suitable wavelength led and pin photoelectric detector are selected, then a biofilm active monitor system is developed based on the pwm. the experimental results from this two monitor systems show that the absorbance time-varying in feature wavelength is according with bacteria number time-varying, basically implementing the online monitoring of biofilm active. keywords: fiber optical evanescent wave; sensitivity; fiber etching; biofilm; pwm i 重庆理工大学重庆理工大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果、作品。对本文的研究做出重要贡献的集体和个人，均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律后果。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“” ） ： 1.保密，在 年解密后适用本授权书。 2.不保密。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 重庆理工大学硕士论文 1.引言 1 1 引言 1.1 课题研究背景及意义 污水处理中生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物（即生物膜）进行有机污水处理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，附着的固体介质成为滤料活载体。生物膜自滤料向外可分为厌气层、好气层、附着水层、运动水层。生物膜法的原理是生物膜首先吸附附着水层有机物，由好气层的好气菌将其分解，在进入厌气层进行厌气分解，流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的。近年来生物膜法被广泛的应用在污水处理中，关于生物膜法去污的研究也日益增多。姜苏等人 2004 年设计了一体化 a/o 生物膜反应器， 对生活污水处理进行处理， cod 的去除率达到 90%，出水效果达到国家标准1。李军等人 2004 年开展了序批式生物膜法反硝化除磷特性及其机理的研究， 得到了序批式生物膜工艺在缺氧段仍可继续实现反硝化生物吸磷2。王建翔等人 2006 年对生物膜法除磷的生化机理、工艺选择、影响影响因素进行了介绍，探讨了国内外生物膜法除磷技术的发展状况，为污水中生物除磷提供了新选择3。陈俊等人 2009 年在调查、分析城市河涌水污染特征的基础上，设计了悬浮式生物膜法生物反应器，实现了城市河涌水的处理4。邬文鹏等人 2010年开展了生物膜法处理焦化废水试验的研究，运用固定微生物法，采用自制生物膜反应器处理焦化废水，出水标准达到了国家排放标准一级标准5。马牧源等人 2010 年对生物膜法应用于海河流域湿地生态系统健康评价进行了展望， 根据生物完整性指数理论，在生物膜基本特征和人为干扰对生物膜的效应机制分析基础上，分析了生物膜评价湿地健康研究进展， 探讨了生物膜方法应用于强人为干扰下海河流域湿地生态系统评价的可行性和应用前景， 希望为海河流域的生态修复和环境管理提供新的思路和方法6。 生物膜法净化污水的效率与附着在固表物表面的生物膜活性直接相关， 生物膜活性越强，净化效率越高，反之，越低7。因此，生物膜法处理污水的过程中，能够实时有效得检测生物膜的活性， 根据生物膜的活性合理调节微生物和营养物质的菌悬液的成分、生物量浓度、ph 值、循环速度（循环液流量） 、塔内温度等参数，维持最强的生物膜活性，显得尤为重要。 研究证实，利用光谱吸收法可以用来确定细菌菌落的吸收波长，吸收度随细菌菌落的大小而变化 8。 因此可以用特征吸收波长处的吸收度来反映生物膜活性。 由于这种吸收是微弱吸收，要达到在线检测生物膜活性，就必须使用一种能够实现在线微量重庆理工大学硕士论文 1.引言 2 检测技术。光纤传感技术就是一种在线微量检测传感技术。近年来，电信行业大量的光纤需求致使光纤材料成本大大下降，同时光纤特性大大得到改善，光纤传感技术得到了很大发展。由于光纤传感器具有小型化，重量轻，抗电磁干扰，宽带宽、高灵敏度，分布式传感及在线远程传感等特点，被广泛的应用在改善工业进程、质量控制系统、医疗卫生、环境监测和生物化学等领域9。 按照光纤传感器的原理，光纤传感器可分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型。光强调制型是利用被测参量的变化引起光纤中光强的变化；相位调制型是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量而变； 偏振态调制型是利用被测参量能够引起光纤中光波偏振态的发生变化10。 利用光纤进行物理、 化学及生物参数测量的相关研究日益增多，按照光纤传感器的应用领域， 光纤传感器可分为物理传感器 （如温度、 压力等的测量） 、化学传感器（如 ph 值、气体浓度等的测量）及生物医学传感器（如血流量、葡萄糖等的测量）11。按照对测量点的响应，光纤传感器可分为点对点传感器、多路复用传感器和分布式传感器。点对点传感器就像大多数电传感器一样，在光纤光缆连接的末端有一个单独的测量点；多路复用传感器允许沿着单根光纤进行多点测量；分布式传感器允许沿着单根光纤在任何一个点进行测量12。 光波通过光纤时，有很多转导机制能够导致光强的变化。这些机制可能包括微弯损耗、破损、改进包层、反射比、吸收、衰减、分子散射、分子作用、倏逝场等13。倏逝波是指光波在光纤中传播时部分延伸进入周围包层介质的光波， 利用倏逝波与被测物质相互作用，引起光强变化的传感器被称为光纤倏逝波传感器。原理是去除包层的光纤，放入待测介质中，光纤包层被待测介质取代，待测介质与原本存在于包层中的倏逝波作用， 对倏逝波进行吸收， 造成光纤中的光强变化， 通过测量光强的衰减量，实现待测介质的测量14。 针对光纤倏逝波传感器的低成本、高灵敏度及远距离在线传感等特点，本课题选用光纤倏逝波传感器实现生物膜活性的在线检测。原理是利用生物膜（细菌菌落）对传感区域光纤表面的倏逝波进行吸收，通过探测光纤中光强的衰减量，实现生物膜活性的在线检测。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 光纤倏逝波传感器研究现状 近十几年来，随着光纤传感技术及各种生物固定技术的广泛研究，光纤倏逝波传感器得到了迅猛发展，下面主要介绍国内外光纤倏逝波传感器的发展现状。在国外，一些光纤倏逝波传感器正逐步从实验室走向实用化。美国 naval research laboratory 重庆理工大学硕士论文 1.引言 3 和 research international 公司的 ligler 和 anderson 等人很早就开始光纤倏逝波生物传感器的理论和应用研究。 1998 年， ligler 等开发了一种远距离探测的空降式传感器，现在已装备美国海军，可用于战争时生物预警和远距离环境分析。1999 年他们研制了手持式光纤倏逝波生物传感器 mantis（the man portable analyze identification system） 。随后他们又研制成功了四通道检测、更加便携使用的 raptor(a rapid automatic and portable fluorometer assay system) 15-17。2008 年德国在凯钦地区启动了首个二氧化碳（co2）地下存储体系，u.willer 等人利用光纤倏逝波吸收传感器，结合相关仪器设计了地下存储系统中 co2在水中溶解度的实时检测设备。去除包层后的光纤被制作成光纤倏逝波传感器，使得纤芯表面的倏逝波暴露于周围水环境中，通过水中 co2对纤芯表面的倏逝波进行直接吸收，实现了 co2地下封存过程的实时监测18。 相对于国外，国内对光纤倏逝波传感器的研究起步较晚。上海光学精密机械研究所和军事医学科学院微生物流行病研究所合作做了一些光纤倏逝波生物传感器的研制工作，2003 年研制成功一台光纤倏逝波生物传感器，可用于细菌染色体 dna 分子的检测19。长春光学精密机械研究所 2006 年对光纤倏逝波吸收传感器灵敏度的影响因素进行了分析， 制作了高灵敏度少模态光纤倏逝波吸收传感器20。 大连化学物理研究所为了检测水中亚硝酸盐，在 2009 设计并制作了微型光纤倏逝波吸收传感器，分别对矿泉水、自来水、雨水和海水中的亚硝酸盐含量进行检测21。国内的光纤倏逝波传感器还处于研究阶段，制作完成的传感器基本是在实验室环境中使用的，要想用到实际中，还需要一定的时间。 文献中常见的光纤倏逝波传感器按照换能公式可以分为： 基于倏逝波吸收的光纤传感器、 基于表面等离子体共振的光纤传感器及基于倏逝波激发的荧光标记型光纤传感器22-23。 基于倏逝波吸收的光纤传感器就是本课题选用的传感器。 光纤传输的光波只有一小部分才能以倏逝波的形式与待测物质作用，比较适合微量检测。光纤倏逝波吸收传感器得到了广泛的研究， 后期的研究则主要是围绕怎样增强纤芯表面倏逝波作用以提高系统的灵敏度， 其中主要涉及到改变入射光的入射角和对光纤感应部分锥型化等方法。国内没有发表过利用此传感器检测生物膜活性的相关文章，国外到目前为止也就看到两篇。chandy 等人 2000 年利用光纤倏逝波吸收传感器，使生物膜附着生长在感应区域表面，利用生物膜与感应区域纤芯表面的倏逝场相作用，通过检测光纤输出光波的光强变化，实现了生物膜生长过程的实时在线监测24。anne 等人252007 年则是利用倏逝波原理，借用一块锗晶体搭建了一套检测自来水中假单胞链球菌的装置，当自来水中含有假单胞链球菌时，经过对锗晶体的处理，附着生长在锗晶体上假单胞菌对锗晶体表面的倏逝波进行吸收，通过检测倏逝波的能量变化，实现了自来水中假单重庆理工大学硕士论文 1.引言 4 胞链球菌的实时在线检测。 1.2.2 光纤倏逝波传感器感应区域结构的研究现状 根据不同灵敏度及不同应用场合的需求， 可以制作不同感应区域结构的光纤倏逝波吸收传感器，文献中使用最普遍的是直型。2002 年 kcherif 等人开发了直形光纤倏逝波吸收传感器，实现了吸收剂及挥发组分的折射率探测，并借助溶胶凝胶技术，成功实现了水中甲苯的定量分析26。2002 年 psuresh kumar 等人开发了基于光纤倏逝波吸收传感器的水中亚硝酸盐含量检测的设备。在要硝酸盐溶液中加入显色剂，通过显色反应生成的物质在 545nm 有很强的吸收，使用相应的探测器模块，实现了不同浓度亚硝酸盐的探测，探测极限达到了 4 ppb27。2003 年 pvpreejith 等人设计制作了基于光纤倏逝波光谱原理的直形光纤总蛋白传感器。 在去除包层后的多模光纤上涂上内嵌染料的多孔玻璃层， 通过感应区域纤芯表面的倏逝波对蛋白质变化进行快速敏感地监测， 在没有破坏样品的情况下实现了蛋白质浓度的定量分析28。 文献中直型结构示意图如图 1-1 所示 图 1.1 直型结构示意图 直型感应区域制作工艺简单，可以通过化学试剂腐蚀去除包层，空间适应性比较好，但是其灵敏度有限。1999 年 skkhijwania 等人做了基于直型和 u 型结构的光纤倏逝波吸收传感器灵敏度的对比实验，实验证明了在相同条件下，u 型比直型具有更高的灵敏度。2000 年他们又对在不同弯曲半径下，u 型结构光纤倏逝波吸收传感器的灵敏度做了实验性研究。研究表明在一定范围内随着弯曲半径的减小，传感器的灵敏度增大。最优化弯曲半径与光纤的数值孔径和纤芯半径有关，数值孔径越大，最优化弯曲半径越大，纤芯半径越小，最优化弯曲半径越小。在给定光纤数值孔径和纤芯半径时，这一结果可以用来决定获得最大灵敏度时 u 型感应区域的弯曲半径29-30。2004 年 pkchoudhury 等人同样用 u 型感应区域光纤倏逝波吸收传感器对水中氯的浓度进行了检测。实验中在感应区域长度为 5cm 时，对比了弯曲半径分别为 3mm、5mm、7mm 及直型结构下的灵敏度，实验结果表明采用直型结构时，灵敏重庆理工大学硕士论文 1.引言 5 度最小，在弯曲半径为 3mm 时，灵敏度最大31。u 型光纤倏逝波传感器灵敏度高，但其体积明显比直型结构大，空间适应性不好，同时也不易制作。文献中 u 型结构示意图如图 1-2 所示。 图 1.2 u 型结构示意图 在制作上述两种结构传感器的过程中， 在未腐蚀光纤和腐蚀光纤的过度部分通常使用锥形过渡，这种结构被称为锥型结构。1995 年 bdgupta 等人线性锥型光纤倏逝波吸收传感器。传感区域的均匀部分的半径选为锥形末端的纤芯半径，其两端具有两个锥形体，分别作为入射光纤和出射光纤的过度部分。第一个锥形体作用是引导入射光纤中光波的入射角接近感应区域的临界角， 第二个锥形体作用是把传感区域光波的入射角转换为初始入射角，以便光波能够在出射光纤中传播。实验结果表明，线性锥形光纤倏逝波吸收传感器的灵敏度与均匀区域的长度、待测介质的折射率、光纤的数值孔径及光纤的初始发射角有关。在均匀区域长度相同的情况下，采用锥型结构过渡的直型或者 u 型光纤倏逝波吸收传感器，会获得更高的灵敏度32。文献中常见的锥型结构示意图如图 1-3 所示。 图 1.3 锥型结构示意图 重庆理工大学硕士论文 1.引言 6 1.3 项目主要研究内容及思路 光纤倏逝波吸收传感器利用去除包层后光纤纤芯表面的倏逝波暴露在待测物质中，待测物质对倏逝波进行吸收，造成倏逝波能量的衰减，通过检测衰减量实现待测物质的探测。 因为存在于纤芯表面的倏逝波的能量比较小， 与待测物质作用程度较低，探测器探测到得信号变化很微弱。为了提高光纤倏逝波吸收传感器的探测灵敏度，本文主要按一下思路进行分析研究。 首先，在信号的探测方法上，选择待测物质直接吸收纤芯表面的倏逝场，而不是多数文献中提到的在去除包层后的光纤纤芯表面覆上一层膜， 通过激发荧光或者特异性反应来对倏逝波进行吸收。由于是直接吸收倏逝场，省去了传统检测方法中复杂的洗涤过程，可构建快速、实时的检测系统。 其次，在系统结构方面，从光纤倏逝波吸收传感器微型化、便携性、经济性和实用性出发，构建了全光纤结构的光纤倏逝波吸收传感器系统。系统传感器接口采用封装有光源及探测器的同轴多模尾纤耦合器，可以方便的连接光纤。在信号传输方面，光纤跳线即用来制作传感器，又作为光信号的传输通道，整个系统基本上没有分立的的光学器件，系统结构更趋稳定和简便。 在传感器关键部分光纤感应区域的设计和制作方面， 充分对比文献中感应区域的结构优缺点，选取线性锥型感应区域结构，并建立基于几何光学的数学模型，分析讨论了锥型参数、感应区域长度和芯经对灵敏度的影响。讨论的结果可以用来指导制作高灵敏度光纤倏逝波吸收传感器。 最后，先后搭建了两种检测系统。第一种是基于光纤光谱仪的检测系统，第二种是基于发光 led 和 pin 光电二极管的检测系统。利用前者得到的附着于光纤传感区域生物膜生长的吸收光谱图及对应的生物膜生长的电子显微镜照片， 可以得到表征生物膜活性的特征吸收波长；后者在前者的基础上，选用中心波长为特征波长的发光led 和相应的 pin 光电探测器，开发了基于发光 led 的生物膜活性检测平台。由于探测的信号变化很微弱，检测平台信号探测采用高灵敏度稳定输出的 pin 光电探测器。选用脉冲调制对 led 光源进行调制，采用低噪声、自稳零斩波、低温漂的集成仪表放大器 ad620 对信号进行放大。ad 采用高分辨率 12 位 ad 转换器 max144，对模拟信号进行数字化转换。 数据通过处理器 stc89c52 送液晶 lcd1602 进行显示，完成检测过程中数据的实时显示。 本论文主要有以下几个部分组成： 1) 在理解光纤光学和倏逝波探测原理的基础上，建立了锥型结构的数学模型并进行了仿真，分析了传感区域锥形参数、光纤长度和芯径对传感器灵敏度的影响。选择合适材质的光纤，制作锥型结构光纤倏逝波传感器。 2) 选择合适的菌种，在适宜的环境条件下进行菌种培养。在实验的基础上，掌重庆理工大学硕士论文 1.引言 7 握了温度、湿度和培养基对细菌生长的影响。选择陶瓷球作为吸附材料，成功的在陶瓷球上培养出生物膜。 3) 先后使用两种方法对生物膜活性进行检测。前者方法旨在得出表征生物膜活性的特征吸收波长，后者方法旨在简化生物膜活性检测系统。后者方法中引入了微弱信号检测的 pwm 方法，选择合适波长 led 及 pin 光电探测器，构建了基于光纤倏逝波吸收传感器的全光纤结构检测系统。 4) 实验数据处理及分析，得出结论，并在实验的过程中分析可能存在的问题和不足，制定相应的改进措施。重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 8 2 光纤及倏逝波探测原理 2.1 光纤 光纤本质上是一圆柱形的对称介质光波导，其结构可分为纤芯（core） 、包层(cladding)和涂覆层(coating or buffer)。纤芯表面加上一层包层，可以减少散射损耗、增加机械强度及减少光线从光纤纤芯进入周围空气的损耗。涂覆层的作用是防止纤芯和包层受到外力的损害，导致其化学或者物理特性变质。光纤基本结构示意图如图 2.1 所示。 图 2.1 光纤基本结构示意图 光纤按照传导模能、折射率分布、结构材质及工作波长等可以分为不同的种类33-34。 1) 按照传播模能可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径为 8-10um，光纤直径为 125um。单模光纤的纤芯仅有基模态(he11)，其余高阶模态都无法在单模光纤中长距离传播。多模光纤的纤芯直径必须依据实际用途选定，一般大于 50um。多模光纤的数值孔径(numerical aperture, na)较大，可以同时有多个以上满足基本光学条件的模态耦合进入光纤中传播。 2) 按照折射率分布可分为多模阶跃光纤、单模阶跃光纤及多模渐变光纤。单模/多模阶跃光纤的纤芯和包层折射率分别是一均匀分布的定值，如图 2.2 中(a)、(b)所示。多模渐变光纤纤芯折射率分布则是由中心向外逐渐递减，而包层折射率保持均匀定值分布，如图 2.2 中(c)所示。 3) 按照材质分类可以分为石英包层硅光纤、 塑料包层硅光纤、 多成分玻璃光纤、塑料光纤及特殊用途设计的光纤。石英包层硅光纤主要用于长距离光纤通信上，通常会参杂部分的锗、磷化物和硼来产生特定的折射率。因其适合传输近紫外光波段的光线，故经常用在荧光检测系统上激发特定荧光物质，例如重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 9 蛋白质与酵素等；塑料包层硅光纤的纤芯以二氧化硅玻璃材质为主，包层以聚乙烯、聚氯乙烯或者强化塑料为主，相对于玻璃光纤，其机械强度有很大的提升，并且易于去除包层，多用在短距离信号传输或传感上；多成分玻璃光纤性质相当于石英玻璃光纤，主要是以二氧化硅为主，掺杂钠、钙、镁、锂等杂质后，可将石英玻璃的熔点降至 14000c 左右，常被用来传导能量或者光通信；塑料光纤的纤芯主要是以聚甲基丙烯甲脂为主要材质，包层则以聚乙烯、 聚丙烯或强化塑料为主， 常用在短距离且接近室温的条件传输信号；特殊用途设计的光纤，例如偏振保持光纤(polarization maintain fiber, pmf)、色散偏移光纤(dispersion shift fiber)、色散平坦光纤(dispersion flattened fiber)及光子晶体光纤(photonic crystal fiber)等。 4) 按照工作波长可以分为短波长光纤和长波长光纤。在光纤通信发展的初期，人们使用的光波波长在 0.6-0.9 微米范围内(典型值为 0.85 微米)， 习惯上把在此波长范围内呈现低损耗的光纤称为短波长光纤。随着研究工作的不断深入，人们发现在波长 1.31 微米和 1.5 微米附近，石英光纤的衰耗急剧下降。不仅如此，而且在次波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此人们的研究工作迅速转移，并研制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上吧工作在 1.0-2.0 微米波长范围的光纤称之为长波长光纤。 长波长光纤因具有衰耗低，宽带宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。 图 2.2 不同种类光纤纤芯和包层折射率分布示意图 课题中选用多模阶跃塑料包层硅光纤来制作光纤倏逝波吸收传感器， 主要考虑因素如下所述： 重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 10 1) 多模纤芯较粗，数值孔径大，能够同时允许多个模态耦合进入光纤中传播。 2) 阶跃光纤是最常见的一种光纤类型，易于购买，并且结构简单，只有纤芯和一个包层，折射率均匀分布，易于控制。 3) 塑料包层硅光纤相对于玻璃光纤，其机械强度大大增大并且易于去除包层。相对于标准的通信石英玻璃光纤，其光纤芯经具有更大的选择范围，有多种大芯径光纤可供选择。高机械强度和大芯径大大减小了传感器制作的难度。 2.2 阶跃光纤的光路理论 由于课题采用多模阶跃光纤， 故在光纤光学基本原理的讨论上省略了渐变折射率光纤部分。光线在耦合进入光纤之后，由于必须满足纤芯折射率大于第二介质折射率（包层或者具有特定折射率的环境介质）以及法线夹角必须大于临界角（critical angle）两个基本条件，才能在纤芯内发生全内反射(total internal reflection, tir)，光线才能沿着光纤向前传播。假若无法满足上述条件，光纤将会折射出光纤纤芯，这种现象被称为非传导模态(non propagation mode, unbound ray)。 有 snells law 可以推知，光纤纤芯与环境介质 （一般为空气） 之间存在一个最大的受光角锥(acceptance cone)，如图 2.3 所示35-36。 图 2.3 子午射线和最大的受光角锥 其中数值孔径 n.a. (numerical aperture) 被定义为最大受光角的一半取正弦值，其数学表达式如下： =2sin.12221maxnnnan (2.1) 上式中出现另一参数， 是在光纤光学上经常用以说明纤芯与包层之间折射率差比值的重要表示。通常在多模光纤中约为1%，单模光纤中约为0.1%，的数学表达式如下： ()()12121212121222122nnnnnnnnnnn+= (2.2) 重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 11 前述所提及的模态(mode)，在几何光学的解释为光在介质中经过的路径，若是以电磁波与模态理论来解释则表示为麦克斯韦方程式的解。 另外在探讨光纤特性上还有两个重要参数，分别为nm与v，其中nm为存在于波导介质中的传播模态总数，v为归一化频率。假若此两参数越大，则代表光纤能耦合并顺利传导的光能量也越多。相关的数学表达式如(2.3)与(2.4)式，此两式仅适用于多模阶跃光纤。 22vnm (2.3) =2)2(2k122210nanaannav (2.4) 2.3 光纤倏逝波的原理与探测 2.3.1 光纤倏逝波的原理 倏逝波(evanescent wave，ew)是一种伴随着全反射现象发生时，在高低折射率介质层构成的界面，产生驻波(standing wave)能量衰减的一种表面物理现象。以光纤波导为例，当全反射发生时，根据电磁波理论，入射光线会全部反射回高折射率纤芯并产生驻波。但实际上电场能量并非完全局限于纤芯层内，而会有部分能量进入垂直于光纤轴心方向低折射率介质层内（包层、空气或者是待测的液相环境） ，并穿透约一个波长的距离。 由maxwells equations与fresnels reflection equations可以进一步推得倏逝波的振幅在低折射率介质中并不会如几何光学的假设一样完全消失， 而是以指数方式衰减，下面简单叙述一下倏逝波的相关原理。 图 2.4 goos-hanchen shift 几何光学对于全反射发生时，是将入射光与反射光定义为界面上的同一点。然而实际上当全反射发生时，入射光会穿透某一距离并与反射光之间产生一相位差，此现象被称为gooshanchen effect37-38，如图2.4所示。 为了更进一步了解倏逝波产生的原理与其特性，必须进行基本电磁波理论推导。假设一入射光波向量ki以i的角度入射到界面上，在不满足全反射条件下，ki会被重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 12 分为部分穿透波向量kt与部分反射波向量kr，如图2.5所示，其中kt可分解为kt=ktx+ktz=ktsin(t)+ktcos(t)。 图 2.5 波向量在不用折射率界面的传播示意图 根据fresnels equations，考虑电场垂直于入射面的横向电磁波(tem)，如下列数学表达式： ( )( )( )( )ttiittiiirnnnneercoscoscoscos)(00+= （2.5） =rrreerir2200 （2.6） 上式中r代表反射率（reflectance） ，r代表界面的反射系数。当全反射条件满足时，意味穿透波向量kt已经不存在，此时反射光波与穿透光波无法满足边界条件，且sin(t)1时代表t不存在，所以（2.5）式中r无法计算。因此我们以snells law将t作一个简单代换sin(t)=(ni/nt) sin(t)， 因此ktx此时成为可解析并具有物理意义，故cos(t)可重写为： ( )( )inumbersin1sin1cos222=negativennititt （2.7） 将（2.7）式依次带入（2.5）式与（2.6）式后可得： ttitiittitiinnnnnnnn2222sin1cossin1cosr+= （2.8） 1coscoscoscos=+=tiitiitiitiijnnjnnjnnjnnrrr （2.9） 重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 13 所以理论上界面会完全反射所有功率，意味ir=ii以及it=0，故倏逝波理论上是不具有任何功率的。下面从（2.7）式与电磁波的时变电场解出发，首先忽略不具物理意义的发散解-i项，保留衰减项+i，可推导出倏逝波的电场能量随横截距离增加而递减的数学表达式。 ()()( )=txnnkizetzxeititsinexpexp,0t （2.10） 因此，把电场能量传播并衰减为纤芯表面电磁场幅度的1/e处的距离定义为倏逝波的透射深度dp24，倏逝波产生原理示意图如图2.6所示。 citiipnnn22i02220sinsin2sin2d= （2.11） incident light total reflected light evanescent field area 0 nt ni z x nint dp i standing wave field 图 2.6 倏逝波形成及透射深度示意图 式中0为入射光波波长，ni为光纤纤芯的折射率，nt可以为光纤包层、空气或者是待测的液相环境的折射率，i为入射光波与纤芯-低折射率介质（包层、空气或待测液相环境）交界面法线的夹角，c为发生全反射时的临界角，其正弦值为sin(c)=nt/ni。 假设0为630nm，玻璃光纤纤芯、包层与液态样本溶液的折射率分别为1.48、1.466与1.333。假定包层已被完全移除，此时光线在光纤内传播至纤芯与样本所构成的临界角c=64.25，在此条件下若（1）入射角i=90，则穿透深度大约趋近于/4；（2）当i（c+1）时，穿透深度约趋近于； （3）假如i=75，则倏逝波的穿透深度经计算大约为210nm。图2.7为倏逝波透射深度随入射角的变化的仿真图。 图中可以看出，光纤倏逝波的透射深度一般为传播光波的波长量级，当入射角正接近临界角时，倏逝波透射深度无穷大，这种情况可以不考虑，因为当入射角接近临界角时，光纤的特点主要是由于其表面粗糙所造成的散射而造成的损失。另外，当入射角一定时，随着nt接近ni，倏逝波透射深度增大。 重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 14 图 2.7 倏逝波透射深度仿真图 2.3.2 光纤倏逝波探测 光纤倏逝波传感器应用在不同场合，其探测原理也不同。针对本课题选用线性锥形光纤倏逝波吸收传感器，下面介绍一下其探测原理。 去除包层后的光纤，放置于待测物质中，通过待测物质对光纤纤芯表面的倏逝波进行直接吸收，造成倏逝波的衰减，输出光信号通过光电探测器探测，探测器输出信号放大处理后输出并显示， 通过建立倏逝波能量衰减量与待测物质浓度的数学模型， 对待测的物质浓度进行实时在线检测。探测原理示意图如图 2.8 所示。 图 2.8 光纤倏逝波吸收探测原理图示意图 重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 15 光是一种电磁波，具有粒子性，它是一种不连续的粒子流，这种粒子称为光子，不同波长的光子具有不同的能量，能量大小与光的频率有关。光束在吸收介质中传播时的强度定律，可以得出在弱吸收介质中 a 和 b 点之间的强度为： deiiin=out （2.12） 其中=nk0k，n为待测物质液相环境的折射率，k0、k为特定常数。若吸收光强随着位置改变而变化，则（2.12）式可推广为下式： ( )=baoutr-xpdleiiin （2.13） 式中积分沿着所选光线，如图 2.9 所示，从起点 a 积到终点 b。 （2.13）称为比尔（beer）定律39。 图 2.9 积分路线示意图 当待测物质粒子（分子、原子和离子）进入光纤纤芯表面的倏逝波范围内时，就会对倏逝波进行吸收。 假设倏逝波光强为ie， 光经交界面直接反射回纤芯的光强为ir，则有： reiii+=in （2.14） 将（2.11）式代入（2.12）式可得，倏逝波经过与待测物质粒子作用后输出光强为： =ciienkkii2200eoutsinsin2nexp （2.15） 由 （2.15） 式可知倏逝波具有能量损失， 即待测物质粒子对倏逝波的吸收能量为： eouteiii=吸收 （2.16） 由（2.16）式可知，假设光波在光纤均匀感应区域的反射次数为n，并假定在每个反射点倏逝波损耗的能量相等，则入射光总能量损失为： ()eouteiiini+=损失 （2.17） 式中i为光纤对入射光波的吸收能量。因此最终输出光强为： 重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 16 2200sinsin2expinkkniiniiciiteeinout= （2.18） 假设光直接经交界面反射回的光纤ir和倏逝波光强ie之比为常数a，则 ()eeeiaaiii+=+=1in （2.19） 将（2.19）式代入（2.18）式变形后得： +=c22002outsinsin2exp1111iitinnkknankanii （2.20） 其中in2iik =。令24111kank+=，ank+=15，inkkk2006=，则（2.20）可简化为： +=c22654outsinsinexpitinknkkii （2.21） 用 u 表示输出光纤的光经过光电转换后的输出电压。k7表示光电探测器的光电转换系数，则输出光强经光电转换后输出的电压为： +=citknkkkku2264574sinsinexp1 （2.22） 即： citinknkkikkkuk226547544sinsinln= （2.23） 因为ki（i=1,2,4,5,6,7）均为常数，则可令inikkkkk75448=，549kkk =，则 ()2629822624222lnsinsinknkukknnniiiiit+= （2.24） 式（2.24）变形化简后可得： 8922226242628sinsinexp1kknnknknkuiitiii+= （2.25） 从（2.25）式可以看出，入射光纤中光源发出的光波强度iin，经过光纤倏逝波吸收传感器时，满足全反射条件的光波在光纤纤芯与待测物质交界面反射，进入纤芯表面倏逝波范围内的待测物质粒子对倏逝场进行吸收，造成倏逝波的衰减，出射光纤输出的光波经过光电探测器转换后（转换系数k7为一常量）输出对应的电压信号u，经过信号调理、a/d转换后进行输出显示。传感器检测系统结构示意图如图2.10所示。 重庆理工大学硕士论文 2.光纤及倏逝波探测原理 17 图 2.10 检测系统结构示意图重庆理工大学硕士论文 3.锥型光纤倏逝波传感器的灵敏度理论分析 18 3 锥型光纤倏逝波传感器的灵敏度理论分析 利用光纤倏逝波传感器对吸收介质进行检测的过程中， 如何加强纤芯表面倏逝波与吸收介质的作用强度，使吸收介质最大程度吸收纤芯表面的倏逝波，是提高传感器灵敏度与检测极限的关键。本课题选用线性锥形光纤倏逝波传感器，其结构在绪论中已介绍，如图3.1所示，两端具有两个过渡锥形体，中间部分是均匀感应区域。两个过渡锥形体中， 第一个锥形体作用是引导入射光纤中光波的初始入射角接近均匀感应区域的临界角，第二个锥形体作用是把均匀传感区域光波的入射角转换为初始入射角，以便光波能够在出射光纤中传播。 倏逝波的透射深度、 均匀感应区域的感应芯径和感应长度是线性锥形光纤倏逝波传感器灵敏度的主要影响因素。为了实现灵敏度的最优化设计，分别建立了倏逝波透射深度与锥形参数之间关系及有效吸收路径与感应芯径和感应长度之间关系的数学模型，讨论了不同锥形参数（发射角、锥度比、锥长）下倏逝波的透射深度，不同感应芯径和感应长度下倏逝波的有效吸收路径，并进行了仿真。仿真结果表明：选择锥形光纤几何体和合适的发射角，可以使得透射深度增大近3倍，当锥度比为0.4时，倏逝波透射深度最大； 减小感应芯径， 增大感应长度可以提高倏逝波的有效吸收路径，增强纤芯表面的倏逝波与周围吸收介质的作用强度。 研究结果可以用来指导制作高灵敏度线性锥形光纤倏逝波传感器。 图 3.1 线性锥形光纤倏逝波传感器结构示意图 3.1 光纤倏逝波透射深度 dp 前面章节已经介绍了光纤倏逝波的产生原理，倏逝波的透射深度dp为 22221sin2nndip= （3.1） 式中为入射光线的波长，n1为光纤纤芯的折射率，n2为包层的折射率，i 为光线射到纤芯表面与纤芯包层交界面法线的夹角。去除包层后的光纤，纤芯直接暴露于周围介质中， 光纤倏逝波透射深度由周围介质折射率nj和光线在纤芯外部介质界面入射角int决定，此时（3.1）式可转换为 重庆理工大学硕士论文 3.锥型光纤倏逝波传感器的灵敏度理论分析 19 2int221sin2jpnnd= （3.2） 加工光纤倏逝波传感器时， 线性锥形结构感应探针能增加外部介质区域倏逝场的能量，与锥形相关的参数主要有发射角、锥度比、锥长等40-42，线性锥形感应探针中光线轨迹如图3所示。图3中(0)为光线与光纤轴向的初始发射角，可取正负值。r为初始纤芯半径，r为最终纤芯半径，l为锥长。 (z) (0) r incident light (taper angle) l(taper length) z-axis r (z) r(z) initial launch angle angle at z position radius vector normal 图 3.2 线性锥形感应探针中光线轨迹示意图 ankiewicz 43等指出当锥的长度从0增到l时，r（z）从r减到r的同时，发射角锥度比也相应发生变化，并且给出了角（z）与初始发射角（0）的关系为 )(sin()()0(sin(zzrr= （3.3） 在线性锥形剖面中，可以得出如下关系式： lzrrrzr)()(= （3.4） 结合（3.3）和（3.4）可以得出线性锥形几何体中发射角（z）的计算式为 +=1)(1()0(sin(sin)(1lzrrz （3.5） 在线性锥形区域，纤芯外部介质界面的入射角int是随着z变化的，记为int（z） ，它与锥形区域内部发射角（z）和锥角有关。锥角可以通过（3.6）式计算，（z）可以通过（3.7）式计算。 =lrr1tan （3.6） =)(2)(intzz （3.7