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- 水流和光流的啟發(fā)——超靈敏的光纖耦合器傳感器
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2016/9/21
當(dāng)河道變窄或兩條河水相撞并合并，水流的速度將增加，變得更強(qiáng)。水的流動(dòng)和光的流動(dòng)在許多方面是相似的，這激勵(lì)了一批來(lái)自新加坡南南洋理工大學(xué)和內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)的研究人員進(jìn)行探討光流在波導(dǎo)中是否表現(xiàn)出同樣的特性，波導(dǎo)即可供電磁波在端點(diǎn)之間進(jìn)行傳輸?shù)囊环N線性結(jié)構(gòu)。
根據(jù)在《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志上的報(bào)道，他們通過(guò)研究這種光纖微型耦合器的紅外傳感特性進(jìn)行測(cè)試，并建立了一個(gè)傳感器，其靈敏度要比常規(guī)的基于光纖的生化傳感器的靈敏度高20倍。
通過(guò)使用一個(gè)技巧性的方法來(lái)增加的光學(xué)纖維對(duì)周圍的環(huán)境中的小的折射率的變化的靈敏度，光纖上小濃度的分子上或光纖表面附近的變化可以被檢測(cè)到。雖然一般的想法是眾所周知的，這種特殊的方法解決了一個(gè)現(xiàn)有的靈敏度問(wèn)題。
該研究團(tuán)隊(duì)的光學(xué)纖維耦合器傳感器的基本概念是“光的干涉，會(huì)沿光纖耦合器進(jìn)行傳輸，”Lei Wei解釋說(shuō)，他是南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院和工程學(xué)院的助理教授。
干涉是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，當(dāng)光、聲，甚至水波在同一個(gè)空間時(shí)，就會(huì)有可能發(fā)生。
“在我們的工作中，當(dāng)光沿光纖傳播時(shí)，兩個(gè)不同的光纖傳導(dǎo)模式在耦合器中可被激發(fā)，并且干擾也會(huì)發(fā)生，”Wei補(bǔ)充說(shuō)。
基于光學(xué)干涉的傳感器目前被用于包括生物測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)的許多應(yīng)用，并且使用光纖使這些設(shè)備非常緊湊和經(jīng)濟(jì)。
“但據(jù)報(bào)道，目前的大多數(shù)光纖生化傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是，他們表現(xiàn)出高的靈敏度只有當(dāng)周圍的折射率(RI)和光纖的折射率(1.44)很接近時(shí)才會(huì)實(shí)現(xiàn)，”魏解釋說(shuō)。“在實(shí)踐中，檢測(cè)到的生物分子實(shí)際上是制備的水溶液的形式，有一個(gè)RI相當(dāng)接近的水折射率(1.33)，因此，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的追蹤目標(biāo)的分析和小分子的檢測(cè)是從根本上對(duì)于基于光纖傳感器具有挑戰(zhàn)性。
該小組的研究過(guò)程中，他們創(chuàng)造了一種光學(xué)纖維耦合器傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)超高靈敏度的“低折射率范圍的傳感，在1.33折射率范圍，通過(guò)精確設(shè)計(jì)參數(shù)，最小化‘偶超�！汀娉！赫凵渎什睿彼a(bǔ)充說(shuō)。
什么叫做超模?一個(gè)典型的光學(xué)纖維耦合器是由兩平行，緊密排列的微纖維的兩輸入(P1和P2)和兩個(gè)輸出(P3和P4)端口，兩個(gè)過(guò)渡錐，和中央統(tǒng)一的“腰形”區(qū)域。由輸入模式所產(chǎn)生的注入模式場(chǎng)被稱為“超�！保ㄆ鏀�(shù)和偶數(shù)的分布。當(dāng)奇偶超模沿光纖耦合器傳播，功率的交換和由此產(chǎn)生的干涉譜可以在輸出端得到。
該小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其傳感器是更敏感比常規(guī)光纖生物傳感器。
“由此產(chǎn)生的超靈敏的機(jī)制不僅創(chuàng)造了一個(gè)廣泛的在化學(xué)和生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用機(jī)會(huì)，也拓寬了其他的干涉型光纖傳感器的劇目，甚至聲學(xué)傳感器，”魏說(shuō)。
由于其超高靈敏度，該研究小組的這種是理想的目標(biāo)物的分析和小分子檢測(cè)的選擇。
“它也可以在醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)多種的應(yīng)用，如癌癥和其他疾病的早期檢測(cè)，以及在水中的重金屬檢測(cè)，”Wei指出�！霸诓痪玫膶�(lái)，我們希望發(fā)展成為一個(gè)新的傳感平臺(tái)，具有超高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間，且具有可行性、低成本的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在醫(yī)生的辦公室中的應(yīng)用�！�
該小組的下一步是“使傳感器成陣列，并進(jìn)一步探討其對(duì)癌癥生物標(biāo)志物的傳感性能，”Wei說(shuō)。
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