暨南大學(xué):基于傾斜光纖布拉格光柵局域光散射的原位表面濁度傳感器

【暨南大學(xué):基于傾斜光纖布拉格光柵局域光散射的原位表面濁度傳感器】

暨南大學(xué)郭團教授課題組提出了一種緊湊的光纖傳感器，用于原位和連續(xù)的濁度監(jiān)測，其基于來自目標(biāo)顆粒的偏振消失波的表面光學(xué)散射。該傳感器由一個傾斜光纖布拉格光柵（TFBG）組成，封裝在一個微流體毛細管內(nèi)。TFBG的透射光譜提供了一組精細的窄包層共振梳，這些共振梳對濁度非常敏感，因為它們是由靠近光纖表面的微粒引起的偏振消失波的局部光散射（與傳統(tǒng)的整體/體積濁度測量相反）。此外，還提出了一種透射光譜區(qū)域詢問方法，并量化了表面濁度與光學(xué)光譜區(qū)域響應(yīng)之間的可重復(fù)相關(guān)性。我們展示了當(dāng)傳感包層共振的波長與周圍固體顆粒的大小匹配時，可以實現(xiàn)最大敏感度的濁度響應(yīng)。

光纖傳感器，包括微納米光纖、TFBG 和法布里-珀羅干涉儀（FPI），因其低侵入性、抗電磁干擾和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護和能源存儲等領(lǐng)域的現(xiàn)場檢測中展現(xiàn)出巨大潛力。傳統(tǒng)的濁度計具有一個發(fā)射光纖端和一個接收光纖端，用于測量與入射光束成一定角度的散射光強度。濁度是從光束通過樣品時被顆粒散射的程度推斷出來的 。此外，漫反射紫外-可見光譜已被用于監(jiān)測水樣的濁度。光通過熔融石英準直透鏡照射到測試樣品中，收集反射光以非接觸方式估算樣品的質(zhì)量和濃度。最近，提出了同時區(qū)分液體樣品的溫度和濁度的方法?？傊鲜鏊蟹椒ǘ紝Ｗ⒂谕ㄟ^評估液體樣品中雜質(zhì)的透明度來進行整體/體積濁度測量。然而，仍然非常需要定量測量局部濁度，即目標(biāo)樣品表面處的濁度。例如，最近的一篇論文報道了通過監(jiān)測電解質(zhì)的濁度來追蹤電池的化學(xué)動力學(xué)/狀態(tài)及其容量損失，該濁度是通過顆粒誘導(dǎo)的光散射和吸收在電解質(zhì)-電極界面處進行的。

暨大郭團教授課題組，提出了一種基于TFBG的原位表面濁度測量新方法。TFBG的透射光譜提供了一組對表面濁度高度敏感的窄帶包層共振精細梳狀圖譜，這是由于包層模式與附著在TFBG表面的微粒之間可能發(fā)生的多重散射效應(yīng)。這種散射表現(xiàn)為高總插入損耗。當(dāng)微粒的直徑遠小于入射光的波長時，雷利散射成為主導(dǎo)的散射機制。然而，當(dāng)微粒的大小與入射光的波長相當(dāng)時，米氏散射更可能占據(jù)主導(dǎo)地位。還提出了一種新的光譜區(qū)域詢問方法，在這種方法中，利用傳感器包層模式的光譜變化的總和來精確測量濁度變化。我們成功地建立了TFBG的光譜特性、濁度和粒子大小之間的對應(yīng)關(guān)系。我們提出的TFBG傳感器的一個額外優(yōu)點是，它利用了核心模式對周圍介質(zhì)中的散射和吸收不敏感的優(yōu)勢，同時僅對溫度敏感，從而提供了一種有前景的溫度獨立表面濁度測量方法。光柵平面的方向傾斜可以有效地將前向傳播的核心模式耦合到數(shù)百個后向傳播的包層模式中，以產(chǎn)生如圖1所示的密集梳狀透射振幅光譜。其中，短波長側(cè)的高階包層模式擁有強大的消逝場。當(dāng)周圍介質(zhì)的折射率在TFBG的消逝場采樣區(qū)域內(nèi)發(fā)生變化時，相應(yīng)包層模式的共振位置和振幅也會相應(yīng)改變。圖1(a)中用黑色星號*標(biāo)記的“截止模式”對周圍折射率表現(xiàn)出最大的敏感性。位于較短波長處且有效指數(shù)低于周圍折射率的泄漏模式（leaky modes）的共振位置不會隨著外部折射率的變化而發(fā)生波長偏移 。

作為對傳統(tǒng)折射率測量的替代方法，如圖1(a)所示，我們評估了TFBG傳感器在渾濁液體環(huán)境中的光譜透射性能。如圖1(b)所示，所有包層模式的振幅同時衰減歸因于混濁液體中懸浮顆粒引起的光散射導(dǎo)致的能量損失。特別是，由TFBG激發(fā)的大量包層模式與光纖表面附近的顆粒相互作用，產(chǎn)生局部光散射，這降低了包層模式的反射效率和共振模式的品質(zhì)因數(shù)，因此在透射光譜中表現(xiàn)出包層模式的峰對峰減少。重要的是，表面散射強度不依賴于懸浮液的背景折射率，而依賴于液體中懸浮顆粒的大小和體積濃度。因此，表面散射導(dǎo)致TFBG傳感器的包層模式整體散射和吸收效應(yīng)，這在透射光譜中表現(xiàn)為包絡(luò)面積的減少。在這里，TFBG透射光譜的包絡(luò)面積被用來評估懸浮液的局部濁度變化。因此，基于TFBG的包層模式的透射特性，可以有效區(qū)分TFBG傳感器周圍流體中懸浮顆粒引起的光散射和溶質(zhì)分子的光吸收效應(yīng)。

圖1. 比較TFBG折射率測量和濁度測量方法

該濁度檢測平臺的適用性通過將傳感器固定在微流控管內(nèi)并使用圖2所示的檢測系統(tǒng)進行評估。使用光譜范圍為1500-1600 nm的寬帶光源（BBS）提供非偏振輸入光。使用偏振器和偏振控制器（PC）精確控制入射光的偏振狀態(tài)。透射光譜由分辨率為0.02 nm的光譜分析儀（OSA）監(jiān)測。我們采用內(nèi)徑為0.5 mm的微流控管通道，并精心調(diào)節(jié)蠕動泵速度至35.4 rpm。這種精確控制有助于濁度顆粒與管內(nèi)背景液體的均勻混合。這種對管徑和流速的優(yōu)化被證明是防止氣泡形成和顆粒沉淀的關(guān)鍵，從而保持了實驗的準確性和可重復(fù)性。

圖2.TFBG傳感器濁度測量實驗裝置的示意圖配置

光譜響應(yīng)與濁度測量

TFBG傳感器對不同濁度的二氧化硅粒子懸浮液的光譜響應(yīng)如圖3(a)和3(b)所示。幾乎所有高階包層模式共振的振幅都隨著濁度的增加而同時減小。因此，TFBG傳感器的包層模式的振幅變化可以用作量化表面濁度的指標(biāo)。將1510-1575 nm范圍內(nèi)的包層模式的光譜包絡(luò)面積作為反映表面濁度的度量標(biāo)準。如圖3(c)所示，我們擬合了五組重復(fù)實驗的光譜區(qū)域響應(yīng)的平均值和標(biāo)準差。對于三種不同粒徑的二氧化硅懸浮液，TFBG光譜的包絡(luò)面積隨著濁度的增加逐漸減小，且都滿足非線性回歸的分布規(guī)律。為了表征TFBG傳感器表面濁度的實時響應(yīng)，我們分別對粒徑為50 nm、2 μm和5 μm的二氧化硅懸浮液的表面濁度進行了連續(xù)測試。每個樣本以1.66 mL/min的速度通過系統(tǒng)泵送180秒。TFBG傳感器在不同濁度下的實時光譜區(qū)域響應(yīng)如圖3(d)所示。隨著樣本濁度的增加，由于高階包層模式的振幅衰減，光譜區(qū)域減小，這與更多的二氧化硅顆粒進入TFBG的消逝場有關(guān)。由二氧化硅顆粒在傳感器表面上引起的局部光散射效應(yīng)導(dǎo)致TFBG消逝場能量的衰減。此外，TFBG傳感器在不同二氧化硅粒徑和濁度下展現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)和基線恢復(fù)偏差。這些結(jié)果表明，TFBG傳感器在實時表面濁度檢測應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的一致性和可重復(fù)性。

圖3.TFBG傳感器用于濁度測量

光波長與顆粒大小之間的關(guān)系

進一步，研究了TFBG傳感器對不同粒徑的二氧化硅懸浮液的光譜響應(yīng)。配制了粒徑范圍為15 nm至20 μm、濁度為778 NTU的二氧化硅懸浮液（圖4(a)）。正如預(yù)期的那樣，如圖4(b)所示，TFBG傳感器的光譜區(qū)域響應(yīng)相對于顆粒大小呈現(xiàn)出鐘形分布，其中橫坐標(biāo)經(jīng)過概率回歸處理。當(dāng)二氧化硅顆粒直徑接近入射波長（1.5 μm）時，光譜區(qū)域的變化達到峰值，這歸因于光散射效率對顆粒大小的依賴性。Mie-Lorenz理論表明，對于特定的波長和折射率，球形顆粒的光散射效率取決于其直徑[23]。根據(jù)米氏散射理論，當(dāng)傳播模式的消逝場擴展到光纖外部時，大部分能量被尺寸接近光波長的顆粒散射。值得注意的是，對于相同的顆粒大小，光譜區(qū)域的變化隨著濁度的增加而增加。這一趨勢在不同濁度水平下保持一致，如圖4(c)所示。特別是，當(dāng)顆粒大小與入射波長不匹配時，TFBG傳感器的靈敏度降低。因此，TFBG傳感器的表面濁度靈敏度表現(xiàn)出對入射光波長和目標(biāo)顆粒大小的強烈依賴性（圖4(d)）。

圖4. (a) 不同顆粒大小的二氧化硅懸浮液，其濁度為778 NTU。(b) 光譜區(qū)域、顆粒大小與濁度之間的關(guān)系；(c) 不同濁度級別的光譜區(qū)域響應(yīng)；(d) 消逝場和表面濁度的探測范圍。