纳米光纤传感器

纳米光纤传感器摘要:根据纳米光纤的倏逝波传输特性，提出将亚波长直径氧化硅纳米光纤用于光学传感器的研究设想。通过求解Maxwell方程，得到由于周围环境折射率变化而引起的光纤传导模的位相改变，并由此计算传感器的灵敏度。研究结果表明，使用纳米光纤研制传感器，可以获得比微米级光纤或波导传感器更小的结构尺寸和更高的灵敏度。关键词:纳米光纤倏逝波光纤传感器光纤传感是上世纪70年代后期发展起来的一项光学检测技术，它利用光在媒质中的强度、位相、偏振等特性变化，来检测诸如温度、压力、浓度等一系列物理量、化学量或生物量的变化，具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、抗腐蚀性强等优点，已经在科研、工业、环境、医疗、军事等很多方面得到了广泛应用，具有广阔的应用潜力和发展前景[1]。使用光学倏逝波的光纤或波导传感器是目前的重要发展方向之一[2]。在以往的研究中，大多使用直径或宽度在微米量级的光纤拉锥或硅基平面波导作为导波结构，在波导外部产生一定比例的倏逝波，用于探测周围环境的变化，表现为输出光的强度和位相等特性的改变，从而实现光学传感功能。在这一类传感器中，与传感器性能（比如灵敏度和响应速度等重要参数）直接相关的是光纤敏感部分的尺寸和倏逝波在传导模中所占的比例。敏感光纤尺寸越小、倏逝波所占的比例越大，就有可能使传感器的灵敏度越高、尺寸越小、响应越快，以及对被测样品的需求量越少。但是，对于在光学传感中使用的光波导，特别是在使用高灵敏度的干涉位相检测等技术时，要求光波导具备低传输损耗等特性，以保持传输光信号的相干性和偏振性，以及减小光学泄漏和散射对测量结果的影响，对于常规的大尺寸光纤或波导结构，这一点不难做到，但是对于直径小于传输光波长的亚波长宽度光波导，要获得低传输损耗，对波导的直径均匀性和表面粗糙度有非常高的要求，常规技术难以达到。最近，使用高温拉伸法获得了直径均匀、表面光滑、直径可以小至50nm的纳米光纤[3]，如图1所示。光纤的单模传输损耗低达0.01dB/mm以下，大部分传输光能量可以以倏逝波的形式在光纤外传输[4]，有希望用于研制尺寸更小、灵敏度更高的光纤传感器。通过求解Maxwell方程可以得到[5]，对于一根直径400nm的氧化硅光纤，在水中传输633nm波长的He-Ne激光时，大约76%的传输光能量以倏逝波的形式在氧化硅芯外的水中传输，这样一个大比例的倏逝波传输方式非常适用于高灵敏度探测。如图2所示，如果在光纤的一端输入光信号，在被测溶液中传输一定距离后，检测另一端输出光的强度或位相等特性，就可以获得被测溶液的有关信息。模拟计算表明，如果使用一个Mach-Zehnder干涉仪结构来检测由于溶液折射率改变而引起的传输光位相移动，那么，使用直径400图1200nm直径氧化硅光纤的扫描电镜照片图2纳米光纤传感器基本模型29万方数据第42卷，第12期2005年12月激光与光电子学进展Vol.42,No.12Dec.2005一电极位于衬底边，a粒子辐照下产生的载流子在被收集前必须经历高缺陷的成核边，导致电荷收集效率较低。另外，两种结构器件的能量分辨率随外加偏压的增加而得到明显改善(如图2所示)。共平面结构和三明治结构器件分别在66.7kV/cm和200kV/cm电场下对5.5MeVa粒子的能量分辨率均达到1.1豫。参考文献1GivargizovEIetal..Appl.Surf.Sci.,1996,94-95:117~1212MarinelliMetal..J.Appl.Phys.,2001,89:1430~14343ZhangMLetal..J.CrystalGrowth,2005,274:12~174WangLJetal..J.Phys.D:Appl.Phys.,2003,36:2548~2552荷兰用发光二极管作街灯荷兰菲利浦照明公司已提供一系列发光二极管街灯，安装在荷兰的埃德镇街上，为该镇照明。此种街灯有一个4m高的方型灯杆。街灯间的最佳间距为8m。每个照明组件包括18支白光和琥珀色光发光二极管，色温选为2700K、3200K或4000K，以提供温暖的白光照明。采用高效准直新月型光学系统为地面提供均匀照明，其能量效率高，对环境影响少，维护成本与换灯的费用也低。此灯每天照明11~12小时，12年不用更换，其寿命为50，000小时，而一般的街灯通常的寿命仅为12，000小时，且换灯有危险，费时又费钱。菲利浦公司的发言人说，“此种街灯的寿命不再受灯的限制，而是受灯杆的限制”。使用发光二极管照明所节省的费用高于其初始生产的费用。