光电工程格式修改说明讲义

1、第41卷第3期光电工程Vol.41, No.3htt P： /2014年3月Op to-Electro nic Engin eeri ngMarch, 2014作者修改后，删除附件中前面的修改要求。1参考文献的处理在外文文献中请在期刊名后添加期刊的：ISSN号，格式为：期刊名(SXXXX-XXXX )对会议添加 哙议时间和地点，格式为：会议名，会议地点，开会月份和时间，年期刊的卷号和期刊的英文名为粗体中文期刊格式：1 张倩，徐先锋，袁红光，等.四步相移数字全息干涉术相移提取和物光重建J.光电工程，2011, 38(8): 139-144.ZHANG Qian, XU Xianfeng，YUAN

2、 Hongguang, et al. Phase-shift Extraction and Wave Reconstruction in Four-stepPhase-shifting Interferometry J. Opto-Electronic Engineering， 2011，38(8): 139-144.外文期刊格式：2 BOOTH B L. Phot op olymer Material for Hologra phy J.App lied Op tics(S0003-6935)，1975，14(3): 593-601.外文会议格式:3 Lee D D，Seung H S. A

3、lgorithms for Non-negative Matrix Factorization C/ Advances in Neural Information ProcessingSystems Vancouver， Canada, Dec 3-8，2001， 13： 556-562.参考文献中三个以上的作者才写等。中文作者名拼音请不要缩写，按中国人习惯书写姓大写，名的第一个字母大写。外国人名是姓在前，名在后，姓和名的第一个字母大写题目应包括主要的关键词，与关键词无关的词应去掉，如研究，方法，基于,算法等属于非关键词应去掉。以便网络搜索到唯一的题名，并控制在20字内摘要要有目的，方法，结果

4、等。最好在200字内。摘要的修改方法在网上的修改稿模版中有说明。第41卷第3期第一作者，等：文章中文题目9htt P： /2图形的处理1图5, 6请不要用图片格式，即不用抓屏幕，改为在word中可解组合的 图形对于Matlab、Origin等软件生成的图，保存时请存成矢量图格式（如eps、emf、wmf等），最好不要为位图格式（如jpg， bmp等），在word中从”插入图片中插入。*关于 Matlab生成的线条图，在Figure菜单中选 Edit Copy Options，然后在Clipboard format中选择 Metafile最好都用直线型，用不同颜色线，解组合后，在word中设置不

5、同的线型。2插入图片后，设置图形为四周型，取消组合，删除图中原有的文字，再用给你的图文框（如下）中的文本框格式输入文字，再调整图的线条为黑色0.5磅，文字字号为六号图1、2、3、4中的小图片放入图文框中。图片放入图文框步骤：将小图片复制在外面，设置四周型,再复制在图文框中并用文本框添加小标题和图题名图片中的数字印刷后是模糊的,般都是在word中用文本框重新输入。作者可将没有数字的图片插入word中的图文框中。再用文本框重新输入允许图文框设置为上下型并在设置绘图画布中的版式下的下的高级设置中的图形位置中对象随文字移动, 重置都不选重3公式的处理请用此文本框修改流程图的 文字也可将此图文框作为 模

6、版，将其他图放入此 图文框中请将中文译为英文请用此样式的箭头图4目标在各个光谱通道的光强对比Fig.4(X103)请用此文本框修改数 据公式请用公式编辑器3.0(即 word2003自带的公式编辑器 microsoft公式3.0(点击公式时屏幕的左下角显示)进行编辑。除矩阵、方程组外，公式中的的括号(包括大、中、小括号)以及绝对值符号最好都直接用键盘输入，不选用公式编辑器工具栏中的括号。公式中的兀用正体，公式中的矩阵转置 T用正体，e(-i加%式可写为exp(-i兀k, exp(i)中的i为正体。Jxdx积分符号中的d为正体。选第三个样式即：Jdx。公式中和号用第五个样式即：Z二()，变量最好

7、用单字母，不用单词，用下标表示来其意义 ，并将表示其意义的下标设为正体，即在公式下的样式下的选为文字即为正体。矩阵变量和矢量：在文字中选为“B”即黑体并选斜体，在公式中选样式下的矩阵变量即自动的设为黑斜体。公式中的样式下的定义中将矩阵变量的加粗和倾斜都勾上。公式的放置，先将公式和公式编号分两行，公式顶左，再居中；编号置右，然后用空格与公式对齐，最后 合并成一行；整个公式置右。文章编号：140872超长分段结构光纤倏逝波传感器的研究李本冲1,楼俊1,许宏志1,沈建华2,黄杰1，徐贲1,沈为民1(1中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江杭州310018;2上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上

8、海200093)摘要：提出一种基于倏逝波吸收原理的超长分段结构光纤倏逝波传感器。运用光束传播法(BPM)对分段和直形波导模型进行数值模拟。分析相同纤芯直径，不同结构和溶液浓度对传感器灵敏度的影响，通过化学腐蚀方法制备出不同结构参数的倏逝波传感器，并用不同浓度亚甲基蓝溶液对传感器的灵敏度特性进行实验验证。实验结果表明：在腐蚀深度不变的情况下，增加传感长度和采用分段结构可以有效的提高传感器的灵敏度和检出限，该传感 器对亚甲基蓝的探测浓度可达到10- 6mol / L量级，其灵敏度高，结构简单，易制备，成本低，在物质光谱检测方面有着潜在的应用。关键词：光纤传感器；倏逝波；分段结构；长吸收作用距离；光

9、束传播法；宽光谱 中图分类号：TP 212文献标志码：AInvestigation on the Long Segmented Structure Op tic FiberEvanescent Wave SensorLI Ben-Chong1, LOU Jun1, XU Hong-zhi 1, SHEN Jian-hua 2, HUANG Jie 1, XU Ben1, SHENWei-min1(1.College of Optical and Electronic Science and Technology , China Jiliang University , Hangzhou 310

10、018, China;2. College of Optical Electrical and Computer Engineering , University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China )Abstract: The Long segmented structure op tic fiber sensor is prop osed, which based on evanescent wave absorbed theory.The waveguide modes of the segmented

11、 structure and straight are simulated and analyzed by using beam propagationmethod (BPM). The effect of the same core diameters, the different structures and the concentration of solution on thesensitivity of the sensors are investigated. T he sensors of different structure parameters are fabricated

12、 with chemicalcorrosion method, and the sensitivity tested by using different concentrations of the methylene blue solution. Theexp erimental results show that in the case of fixed corrosion dep th, increasing the length of op tical fiber sensing and segmented number can effectively imp rove the sen

13、sitivity and detection limit of the sensor, and the lowest concentration of the methylene blue solution can be detected up to the order of 10-6mol / L . The sensor has the advantages of highsensitivity , simple structure, easy fabricated, low cost, which is suitable for materials spectrum measuremen

14、ts.Key words: op tic fiber sensor; evanescent wave; segmental structure; long absor ption distance; beam prop agationmethod (BPM); broadband sp ectrum光纤倏逝波传感器是20世纪80年代发展起来的传感技术，该传感器具有灵敏度高、结构简单、易制备、成本低、在线测量、抗电磁干扰等优点，在水质监测、医疗卫生、生物化学和军工等领域得到了广泛 的应用1-8。目前，国内外广泛研究的倏逝波传感器的结构主要有以下几种：直形传感光纤、分段传感光纤10、D形传感光纤1

15、1,12、锥形传感光纤13,14、S形传感光纤15、U形传感光纤16。直形9结构简单，易制 备，易操作，但其灵敏度较低；单根分段10结构光纤倏逝波传感器在单根直形结构的基础上大大提高了灵敏度，但是在物质探测方面只能检测高浓度物质(mmol/L量级)，最小可探测范围不高；D形11,12结构和锥形13,14结构的灵敏度相对于直形都有所提高，但制作工艺复杂，制约了传感器的性能；S形15和U形16结构的灵敏度与弯曲半径有关，弯曲半径越小，传感器的灵敏度越高，但是弯曲半径越小，传感器越易折断。本文运用分段剥除腐蚀的方法制备超长结构光纤倏逝波传感器，采用宽光谱光源和光纤光谱仪构建光谱分析检测系统，并用不同

16、浓度的亚甲基蓝溶液对传感器性能进行实验验证。实验结果表明，在腐蚀深度 不变的情况下，采用分段结构和增加光纤传感长度可以有效的提高传感器的灵敏度和检出限，该传感器相 对其他光纤倏逝波传感器，灵敏度更高，更易封装和清洗，在液体、气体探测监测领域具有广泛的应用前景。光在光纤中传播是基于全反射原理，在全反射时有部分光波透出纤芯一包层界面进入到包层大约一个10,17。分段2理论原理1所示。波长量级，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回纤芯，沿包层表面流动的光波称为倏逝波 结构光纤倏逝波传感器在传感区将溶液、气体等待测物质作为包层，待测物的吸收会使倏逝波能量衰减, 可以通过检测传输能量及光谱的变化来得到待

17、测物的相关信息。其结构原理如图收稿日期：2014-11-17；此时间为作者投稿的时间)收到修改稿日期：2015-03-00此时间为作者最后上传修改稿的时间)基金项目：国家自然科学基金资助项目(61405184 );浙江省钱江人才基金资助项目(QJD1302016);浙江省公益性计划基金资助 项目(2011c23037)作者简介：李本冲(1990-),男(汉)，江苏省徐州市人。硕士，主要研究工作是光纤化学传感。E-mail: Iibc1990.楼俊(1979-)，男(汉),籍贯。副教授，博士，主要从事光电检测方面的研究。E-mail: loujun。RSegmented gap1Z-axisng

18、 n图1分段结构光纤倏逝波传感器的结构图Fig.1 Structure of the segme nted op tic fiber eva nesce nt wave sen sorSensing region*(final radius)0intolurionn ex光纤本征吸收损耗后能量传输关系可以表示为:Po =2 jjjRexp(qnjL)(1)上式即为3.0，可通过复制此式f(i,j)后，进入到公式去修改相应的内容NPopp PWjL)八 Qge(1)式中Po为输出光功率，Pi入射光功率，rj是第j个模式中传播的能量占总能量的百分比，在使用非相 干光源时，每个模式传播的能量占总能量

19、的百分比近似相等，a是被测物质的消光系数，其中和C分别表示被测物质的摩尔吸收系数和浓度，nj是第j个模式中包层功率占总功率的百分比，L(L=L1+L2)为传感长度。对于多模光纤，j可以表示为10,18Znex sin 3 0 sin 2 W弹严2Zlex sin Usin d0d 护rn _2 兀 R1n / si n2Tc(si n 2 日c-s in 2 日 si n2)2J尸 护2 sin 0 cos 0 sin 26d nex是溶液的折射率，通常小于包层的折射率garcos (nex/nJ是纤芯与溶液临界角的补角，n2, 0为子R1为分段区纤芯的式中，入为入射的波长，n1为纤芯的折射率

20、, 午光线的入射角，0为斜光线的入射角， 直径。缶为子午光线的入射角的上限6 = arcsin式中0f=arcos (n亦1)是纤芯与包层临界角的补角，R是光纤原始的纤芯的直径。由等式 可得分段结构溶液的吸光度为A= a L n分析(1)式可以得出，传感器的灵敏度S=-1/Pout(dPout/dC)，从而影响传感器灵敏度的参数有a, L和nj。a由被测物本身的特征吸收谱线决定，不能随意改变；L越长，其灵敏度越高；n是第j个模式的包层功率占总功率的百分比，传感器灵敏度与之密切相关。从(2)和(3)式可以推出，减小传感区的纤芯直径，可以增大n，使传感器的灵敏度得到进一步提高。再者，采用分段结构能

21、有效的激发光纤中低阶模到高阶模的转变，高阶模式的n比较大，从而有效增大n，提高传感器的灵敏度10,19，由式可得其吸光度也相应增大。 因此，在纤芯直径一定的情况下，采用分段结构和增加传感长度可以有效提高传感器的灵敏度。3模拟与分析本文模拟是采用 BeamPROP模块的时域有限差分光束传播法(FD-BPM)算法，通过建立光纤传感器模型，设定初始参数，模拟出不同情况下光纤光场传输特点以及传输功率的情况。模拟参数设定：波导建模为3D模型，虚部折射率设定为0.00044*C，输出光功率为归一化输出功率。光纤为 60/125 m阶跃多模石英1cm。归一化输出功率图中的Po wer*Mode 0表示基模的

22、归一化功率。光纤，纤芯折射率1.4735，包层折射率1.4575，溶液折射率为1.3333，入射波长为632.8nm。图2为模拟 输出结果图，图2 ( a)中直形传感长度 L为3cm，图2 (b)中分段传感长度为 2cm(1cm+1cm)，分段间距 为1cm，图2 (c)中分段传感长度为 3cm(1cm+1cm+1cm)，分段间距为 表示光纤中所有模式的总功率，I.Phm-Plhwt/, Mqrilir1.D0.50.0Monter vaue (a u.l-60 -30 0 M 60 仙1K10*10-eo-30 Q M 60X帅1(b)1.00.50.0Mofittf vale 怕叮10.I

23、.Phrti2.MDdtO0剧0 30 60X伽I1,Pawir2.rtaE01.00 50.0Mopiior vebe 3 u)OjQ(c)图2 (a)直形波导L=3cm能量谱;(b)分段波导L=2cm能量谱；(c)分段波导L=3cm能量谱Fig.2. (a) Straight en ergy sp ectrum, L=3cm; (b) Segme nted en ergy sp ectrum, L=2cm;(c) Segme nted en ergy sp ectrum, L=3cm图2(a)、(b)和(c)反映的是直形和分段波导在纤芯直径为36.459 g的条件下的能量谱图。图 和图(b

24、)中L=3cm的直形波导归一化输出功率大于L=2cm的分段波导归一化输出功率，而图(c)中L=3cm的分段波导归一化输出功率更小，根据传感器灵敏度公式S =-(d Pout/dC)/Pout，归一化输出光功率越小，介质吸收越多，倏逝波传感器的灵敏度越高。而从图中基模归一化功率曲线中可以看出分段结构光纤倏逝波传感器能 有效的激发光纤中低阶模到高阶模的转变，高阶模式的n比较大，从而有效增大n，提高传感器的灵敏度，从而可以推出在纤芯腐蚀深度不变的情况下采用分段结构和增加传感长度可以有效的提高传感器的灵敏 度。4实验和实验结果分析4.1传感器的制备本文的传感器光纤为长飞SI-60/125的阶跃型多模石

25、英光纤，包层折射率为1.4575，芯层折射率为3(b)中传感区光纤为多段相间去包层段1和1以及一对开口半圆筒2和2;1.4735。图3为两种结构的光纤传感器示意图。光纤分支撑光纤段和传感区，支撑光纤段与光纤支架接触， 图3(a)中传感区光纤为多段相间去包层段，不与光纤支架接触，图 和未去包层段，不与光纤支架接触；光纤支架包括两块有机玻璃平板两块有机玻璃平板1和1平行分开，一对开口半圆筒1间上端和下端，一对开口半圆筒2和2的两端分别粘贴在两块有机玻璃平板板1和1上开有孔，孔的上下边沿位于一对开口半圆筒0.2cm-0.5cm处；孔的左右边沿距离为一对开口半圆筒2和2开口相向，间隔放置在两块有机玻璃

26、平板1和1和1 上；两块有机玻璃平2和2两端与两块有机玻璃平板 2和2粘贴处下2和2的直径，开口半圆筒周长为5cm。P lexiglass 1HoleSupport fiber segme ntHalf circular arcPVC pipe 2P lexiglass 1Half circular arcPVC pipe 2A secti on of fiber byp eeled claddi ngPlexiglass 1Half circular arcPVC pipe 2A secti on of fiber by p eeled claddi ngThe fiber cladd in

27、g without stri ppingHalf circular arcPVC pipe 2图3(a)超长直形结构光纤传感器示意图;(b)超长分段结构光纤传感器示意图Fig.3.(a) Straight structure op tic fiber sen sor;(b) Segme nted structure op tic fiber sen sor本文选择光纤总长大于 2 m多模阶跃光纤，两端分别留出0.2-0.3 m长的光纤与光源和 USB光纤光谱仪相连。中间部分光纤间隔等距离剥除等长度涂覆层，具体工艺流程为：1)使用游标卡尺测量每段的长度，图3(a)中每间隔5cm测量3cm，图3(

28、b)中每间隔5cm分段测量两段1cm，间隔长度1cm,用笔标记好每段的 长度；2)使用光纤剥线钳剥去分段光纤的涂覆层；3)将剥好的光纤缠绕在光纤支架上，固定后使用光纤熔接机(日本藤仓公司S178)将传感器熔接到带有标准SMA905接头(接宽带光源和光谱仪)的光纤跳线；4)将传感器放入HF(30%):NH 4F (分析纯):H2O(去离子)1:2:5的光纤腐蚀液中腐蚀并监测，在室温(25oC)条件下腐蚀液的平均腐蚀速度约为0.64卩m/min根据需要可以制备不同长度的传感器。4.2实验系统经SMA905光纤标准接头耦合进入多模光纤标准的光纤接头将传输光耦合到光纤光谱仪实验系统结构图如图 3所示，

29、宽带光源卤钨灯(LS-1-LL , 6.5W, 12V，波长:360-1100nm)光源发出的光 (60/125um , n1=1.4735, n2=1.4575)传输，光通过传感器后再由 (USB4000，海洋光学)中，数据经PC机进行显示和存取。图3实验装置图Fig.3. The exp erime ntal set up4.3实验方法及结果分析通过电子天平称 0.03739g亚本实验通过化学剥除腐蚀的方法制备出超长分段结构光纤倏逝波传感器,第41卷第3期第一作者，等：文章中文题目13甲基蓝，用去离子水溶解稀释后，倒入1L容量瓶中，并滴定至刻度线，得到100 pmol/L的亚甲基蓝溶液，并

30、将其作为母液。 经光谱测定亚甲基蓝在 588nm和664nm处有较强的吸收。配置10-70 imol/L的亚甲基蓝 溶液各250mL，将传感器首先浸入 250mL去离子水中采样并记录参考光谱，然后把传感器浸入250mL不同浓度的亚甲基蓝溶液中，采样并记录不同浓度的亚甲基蓝的吸收光谱。相同传感长度(L=40cm)，相同腐蚀深度(D=58.456 g)，不同结构对应的吸收光谱如图5所示。图5(a)为传感区为直形结构时不同浓度对应的吸收光谱图；图5(b)为传感区为分段结构时不同浓度对应的吸收光谱图；图5(c)不同结构下亚甲基蓝溶液浓度与吸光度的拟合曲线图。0.300.70.250.20f、0.150

31、.100.057?0.00I. W血IlW500600700800900Wavelength入(nm)Aecnaunrosb A30卩mo 40 卩 mo -50 1 mo .60 1 mo 70 1 mo0.60.50.40.30.20.10.0/L/L/L /L500600700800900Wavelength 入(nm)0.110203040506070Concentration C ( i mol/L)7 6 5 4 3 2 a a a a a a 儿儿儿儿仏 ncnabrosb A(b)(c)图5 (a)直形结构L=40cm时不同浓度对应吸光度的光谱图(b)分段结构L=40cm时不同

32、浓度对应吸光度的光谱图(c)不同结构浓度与吸光度的关系曲线Fig.5. (a) The differe nt concen trati on of the methyle ne blue soluti on absorba neewith straight structure whe n L = 40cm;(b) The differe nt concen trati on of the methyle ne blue soluti on absorba neewith segme nted structure whe n L = 40cm;(c) The relati onship betw

33、ee n A and C with differe nt structure分析图5(a)和5(b)可得，吸光度 A随着溶液浓度的增加而增大；相同浓度的亚甲基蓝溶液，分段结构的传感器所测吸光度值大于直形结构传感器所测吸光度值；从图5(c)可以看出，在纤芯直径相同的情况下，分段传感长度L=40cm 的传感器的灵敏度(S=0.0092L/ gol)优于直形传感长度L=40cm 的灵敏度 (S=0.0039L/呵01)。因此，在相同纤芯直径，相同传感长度下，传感区为分段结构的传感器比直形结构的 传感器灵敏度更高，能探测的最小值越小。1.0Ae n b o bA_一，20 g mol/L _ ,30

34、g mol/L 40 g mol/L -50 g moAL oeLn0.40.00.860 g m(0.60.4A畀*0.2800900入(nm)s W500600700Wavelength0.30.20.11.0ol/Lol/Lol/L0.8ol/L o/L0.6 堪L n a o b A0.40.2.0.0500600700800900Wavelength 入(nm) L=60em L=40em* L=30emA=O.O128C+O.1O2O RA=O.0092C+o.O37=!0.R94A=O.OO59C-O.O3S60f920.0_r_1020304050Concen trati on

35、 C (60g mol/L)(c)(b)图6 (a)分段结构L=60cm不同浓度对应吸光度的光谱图(b)分段结构L=30cm不同浓度对应吸光度的光谱图(C)分段结构不同传感长度对应浓度与吸光度的关系曲线Fig.6. (a) The differe nt concen trati on of the methyle ne blue soluti on absorba nee whe n L = 60cm;(b) The differe nt concen trati on of the methyle ne blue soluti on absorba nee whe n L = 30cm;(c

36、) The relati on shi p betwee n A and C with differe nt sensing regi on不同传感长度，相同腐蚀深度(D=58.456 gm)下分段结构对应的吸收光谱如上图所示。从图5(b),6(a)和6(b)可得，分段结构传感器在相同纤芯直径下，随着传感长度的增加， 所测溶液的吸光度变大。 从图6(e)可得，传感长度 L=60em(S=0.0128L/ gmol)的传感器的灵敏度大于传感长度L=40cm(S=0.0092L/ gmol)和L=30cm(S=0.0059L/ gmol)的传感器的灵敏度。因此，在光纤纤芯腐蚀直径不变的情况下，增加

37、传感长度可 以有效的提高传感器的灵敏度。5结论通过采用分段剥除化学腐蚀的方法制备了一种超长分段结构光纤倏逝波传感器，该传感器在保证一定 纤芯直径的强度下增加了传感区长度。实验结果表明，在腐蚀深度不变的情况下，采用分段结构和增加光 纤传感区长度可以有效的提高传感器的灵敏度和检出限，相对其他结构光纤倏逝波传感器，该传感器灵敏 度更高，机械强度更好，更易封装，使其在液体，气体监测领域具有广泛的应用前景。参考文献:123CAO Y , JIN W, HO L H, et al. Evanescent-wave p hotoacoustic sp ectrosc opy with op tical mi

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