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由水流和光流的启发 制作超灵敏的光纤耦合器传感器

2016-09-14 09:49
木中君
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  当河道变窄或两条河水相撞并合并,水流的速度将增加,变得更强。水的流动和光的流动在许多方面是相似的,这激励了一批来自新加坡南南洋理工大学和内布拉斯加林肯大学的研究人员进行探讨光流在波导中是否表现出同样的特性,波导即可供电磁波在端点之间进行传输的一种线性结构。

  根据在《应用物理快报》杂志上的报道,他们通过研究这种光纤微型耦合器的红外传感特性进行测试,并建立了一个传感器,其灵敏度要比常规的基于光纤的生化传感器的灵敏度高20倍。

  通过使用一个技巧性的方法来增加的光学纤维对周围的环境中的小的折射率的变化的灵敏度,光纤上小浓度的分子上或光纤表面附近的变化可以被检测到。虽然一般的想法是众所周知的,这种特殊的方法解决了一个现有的灵敏度问题。

  该研究团队的光学纤维耦合器传感器的基本概念是“光的干涉,会沿光纤耦合器进行传输,”Lei Wei解释说,他是南洋理工大学电气与电子工程学院和工程学院的助理教授。

  干涉是一种常见的自然现象,当光、声,甚至水波在同一个空间时,就会有可能发生。

  “在我们的工作中,当光沿光纤传播时,两个不同的光纤传导模式在耦合器中可被激发,并且干扰也会发生,”Wei补充说。

  基于光学干涉的传感器目前被用于包括生物测量领域内的许多应用,并且使用光纤使这些设备非常紧凑和经济。

  “但据报道,目前的大多数光纤生化传感器的一个缺点是,他们表现出高的灵敏度只有当周围的折射率(RI)和光纤的折射率(1.44)很接近时才会实现,”魏解释说。“在实践中,检测到的生物分子实际上是制备的水溶液的形式,有一个RI相当接近的水折射率(1.33),因此,实现高灵敏度的追踪目标的分析和小分子的检测是从根本上对于基于光纤传感器具有挑战性。

  该小组的研究过程中,他们创造了一种光学纤维耦合器传感器能够实现超高灵敏度的“低折射率范围的传感,在1.33折射率范围,通过精确设计参数,最小化‘偶超模’和‘奇超模’群折射率差,”他补充说。

  什么叫做超模?一个典型的光学纤维耦合器是由两平行,紧密排列的微纤维的两输入(P1和P2)和两个输出(P3和P4)端口,两个过渡锥,和中央统一的“腰形”区域。由输入模式所产生的注入模式场被称为“超模”,包括奇数和偶数的分布。当奇偶超模沿光纤耦合器传播,功率的交换和由此产生的干涉谱可以在输出端得到。

  该小组的实验结果表明,其传感器是更敏感的~ 20X比常规光纤生物传感器。

  “由此产生的超灵敏的机制不仅创造了一个广泛的在化学和生物传感领域的应用机会,也拓宽了其他的干涉型光纤传感器的剧目,甚至声学传感器,”魏说。

  由于其超高灵敏度,该研究小组的这种是理想的目标物的分析和小分子检测的选择。

  “它也可以在医疗诊断和环境监测领域实现多种的应用,如癌症和其他疾病的早期检测,以及在水中的重金属检测,”Wei指出。“在不久的将来,我们希望发展成为一个新的传感平台,具有超高灵敏度和快速响应时间,且具有可行性、低成本的特点,可实现在医生的办公室中的应用。”

  该小组的下一步是“使传感器成阵列,并进一步探讨其对癌症生物标志物的传感性能,”Wei说。

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