摘要：為了提高利用倏逝波傳感的光纖傳感器的靈敏度問(wèn)題，仿真并驗(yàn)證了一種基于高折射率鍍膜的光纖傳感器。首先兩根光纖之間利用激光誘導(dǎo)波導(dǎo)自行成技術(shù)形成聚合物波導(dǎo)，并在波導(dǎo)表面鍍上一層高折射率 Ta2O5薄膜以增強(qiáng)波導(dǎo)表面倏逝波強(qiáng)度，從而增加傳感器靈敏度。根據(jù)聚合物波導(dǎo)制備結(jié)果，使用 COMSOL Multiphysics?軟件對(duì) Ta2O5的厚度進(jìn)行優(yōu)化和仿真，并根據(jù)此仿真結(jié)果選取70，100和150 nm 3種厚度制備高折射率鍍膜聚合物波導(dǎo)傳感器。光譜測(cè)量結(jié)果表明， Ta2O5膜在100 nm 厚度下，該傳感器對(duì)羅丹明 B 水溶液可獲得吸收光譜1×10?8 g/mL 的檢測(cè)極限。該傳感器具有成本低、體積小、制作簡(jiǎn)單、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞： Ta2O5鍍膜; COMSOL Multiphysics?;聚合物光波導(dǎo);倏逝波傳感

　　引言

　　光纖傳感器技術(shù)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始被提出，至今經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，靈敏度高、成本低、體積小、抗電磁干擾的光纖傳感器受到廣泛關(guān)注并具有很高的發(fā)展前途，但其仍然面臨著測(cè)量環(huán)境要求高、檢測(cè)極限還有待提高、實(shí)際生產(chǎn)條件有限等問(wèn)題[1]。為了滿足諸多測(cè)量的不同要求，此領(lǐng)域已研究出多種光纖傳感器，如基于光子晶體光纖的邁克爾遜干涉儀[2]、不同光纖結(jié)構(gòu)的表面等離子體傳感器[3-5]、新型光纖光柵傳感器[6-8]等。當(dāng)一束光以大于臨界角從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生全反射，同時(shí)會(huì)有少量的光進(jìn)入到光疏介質(zhì)，產(chǎn)生沿著光纖平行的方向傳輸?shù)墓獠ǎ浞翟诠饫w互相垂直的方向上隨深度的增大呈指數(shù)形式衰減，此光波稱為倏逝波。光纖倏逝波傳感器不僅繼承了光纖的耐腐蝕、不受電磁場(chǎng)影響等優(yōu)點(diǎn)，且檢測(cè)靈敏、結(jié)構(gòu)多樣、特異性強(qiáng)、響應(yīng)速度快，在小型化和低成本的傳感器制備中，有著廣泛的應(yīng)用前景[9-10]。目前，基于倏逝波探測(cè)的錐形光纖[11-13]、微結(jié)構(gòu)光纖[14-16]、U 型光纖[17-19]等，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物、液體、氣體等物質(zhì)的傳感，不同結(jié)構(gòu)的光纖傳感器有著不同的特殊性能及用途。在前期的工作中，利用激光誘導(dǎo)波導(dǎo)自形成技術(shù)[20-22]制備了一種光纖?聚合物波導(dǎo)?光纖結(jié)構(gòu)，該纖芯裸露的波導(dǎo)具有很高的靈敏度。在對(duì)羅丹明 B(Rh B)的檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了1×10?8 g/mL 吸。

　　為進(jìn)一步降低上述探測(cè)器的檢測(cè)極限，本文首先通過(guò)激光誘導(dǎo)波導(dǎo)自形成技術(shù)制備了光纖?聚合物波導(dǎo)?光纖結(jié)構(gòu)。由該技術(shù)制備的結(jié)構(gòu)無(wú)需進(jìn)行外部平臺(tái)的調(diào)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)光纖與聚合物波導(dǎo)的同軸精確對(duì)準(zhǔn)，光纖與聚合物波導(dǎo)無(wú)縫連接的結(jié)構(gòu)傳輸損耗極低，十分有利于光信號(hào)的耦合與收集。聚合物波導(dǎo)可以提供分析物與倏逝波相互作用的場(chǎng)所，同軸連接的光纖可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的高效采集。在此基礎(chǔ)上，在波導(dǎo)上設(shè)計(jì)了一層高折射率薄膜，并通過(guò) COMSOL Multiphysics?軟件仿真得到：聚合物波導(dǎo)的光強(qiáng)分布情況;倏逝波光強(qiáng)與波導(dǎo)總光強(qiáng)的比值;薄膜折射率、薄膜厚度對(duì)波導(dǎo)倏逝波強(qiáng)度的影響。根據(jù)仿真結(jié)果，在聚合物波導(dǎo)上鍍了一層高折射率 Ta2O5薄膜后，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)分析物與倏逝波的相互作用和有效的光信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì) Rh B水溶液的高靈敏度探測(cè)。

　　1 傳感器的制備與測(cè)量

　　1.1 材料及試劑

　　本文制備聚合物波導(dǎo)所用的聚合物單體為1，6?己二醇二丙烯酸酯( HDDA ，90%，Alfa)和3，4?環(huán)氧環(huán)己基甲酸3，4?環(huán)氧環(huán)己基甲酯(97%， Aladdin)，并使其質(zhì)量比約為1：1均勻混合;陽(yáng)離子引發(fā)劑(Irgacure 261，U-sunny)、自由基引發(fā)劑2，4，6?三甲基苯二苯酚氧化物( TPO，98%，Shyuanye)和光敏劑(PAS-33，U-sunny)會(huì)產(chǎn)生聚合反應(yīng);羅丹明(Rh B ，95%，Bomei)水溶液用來(lái)檢測(cè)傳感器的探測(cè)特性。實(shí)驗(yàn)中使用的化學(xué)試劑均是購(gòu)買后直接使用，沒(méi)有再次加工。

　　1.2 傳感器的制備

　　利用激光誘導(dǎo)波導(dǎo)自形成技術(shù)制作光纖?波導(dǎo)?光纖傳感器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。首先，將兩根規(guī)模為62.5/125μm 的多模光纖水平和垂直方向都同軸放置在光纖夾具上，通過(guò)顯微鏡觀察并調(diào)節(jié)光纖之間的距離至幾毫米;然后，在纖芯處放置玻璃基板并滴加1～2滴配置好的樹(shù)脂混合溶液，光纖另外兩端連接405 nm 的激光器，激光器出射功率調(diào)節(jié)至1.5μW左右并持續(xù)10 s ，上述樹(shù)脂單體在激光的照射下發(fā)生光聚合反應(yīng)，在兩根纖芯端面形成一根聚合物光波導(dǎo)從而將兩根光纖連接起來(lái);最后，波導(dǎo)形成后，使用乙醇清洗3次，去除表面未固化的聚合物單體，并將此傳感器置于50℃真空烘干箱中加熱12 h進(jìn)一步固化。

　　1.3 制備結(jié)果表征

　　圖2(a)為光纖?聚合物波導(dǎo)?光纖的掃描電子顯微鏡( SEM)圖，可以看出聚合物波導(dǎo)能將兩根光纖連接在一起，聚合物波導(dǎo)的長(zhǎng)度由兩根光纖間的距離來(lái)決定。圖2(b)為光纖與聚合物波導(dǎo)在連接部分的 SEM 圖，聚合物波導(dǎo)與石英光纖同軸無(wú)縫連接，從而光束由光纖至光波導(dǎo)的傳輸過(guò)程中光損耗較低，可以提升傳感器對(duì)光信號(hào)的收集效率。圖2(c)為波導(dǎo)中間部分的 SEM 圖，顯示了聚合物光波導(dǎo)的直徑一般在20～30μm 左右。

　　2 仿真

　　2.1 模型建立

　　為了分析聚合物波導(dǎo)表面倏逝波的強(qiáng)弱，在 COMSOL Multiphysics?軟件中對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行了建模，結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。依據(jù) SEM 的觀測(cè)結(jié)果，將聚合物波導(dǎo)(折射率1.48)的直徑設(shè)定為30μm，外圍包層為樣品的水溶液(折射率1.33)，厚度為5μm。為提高倏逝波的強(qiáng)度，在波導(dǎo)表面設(shè)置了一層厚度為δ的高折射率薄膜(Ta2O5， n=2.0)，如圖3(b)所示。

　　2.2 COMSOL Multiphysics?軟件仿真

　　本文利用 COMSOL Multiphysics?軟件的電磁波模塊對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)如表1(序號(hào)1～7)所示，Ta2O5鍍膜參數(shù)如表1(序號(hào)8～9)所示。由于波導(dǎo)橫截面具有圓對(duì)稱性，取 x 坐標(biāo)為?15000～15000 nm， y 坐標(biāo)為0的輔助線，并將該輔助線上的電場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用該輔助線上的電場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行積分計(jì)算，即可獲得相對(duì)強(qiáng)度為該輔助線上倏逝波與波導(dǎo)總光強(qiáng)的比值，表達(dá)式為

　　COMSOL Multiphysics?的光強(qiáng)分布仿真結(jié)果如圖4所示。如圖4(a)所示，當(dāng)波導(dǎo)沒(méi)有被高折射率薄膜覆蓋時(shí)，其內(nèi)部光強(qiáng)呈高斯分布，此時(shí)波導(dǎo)中心的光強(qiáng)最強(qiáng)，光強(qiáng)由中心向四周減弱。當(dāng)波導(dǎo)表面鍍上高折射率薄膜以后，光場(chǎng)分布發(fā)生明顯變化，波導(dǎo)中心的光強(qiáng)降至為零，幾乎所有的光場(chǎng)都集中于高折射率鍍膜層(圖4(b)，插圖為薄膜區(qū)域光場(chǎng)放大圖)。依據(jù)輔助線利用式1積分可知，當(dāng)無(wú)鍍膜時(shí)，倏逝波的相對(duì)強(qiáng)度只有0.05%，而增加一層高折射率 Ta2O5薄膜后，倏逝波的相對(duì)強(qiáng)度可達(dá)28%，比非鍍膜樣片高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。由于倏逝波的強(qiáng)度與檢測(cè)極限呈正相關(guān)關(guān)系，這意味著在樹(shù)脂波導(dǎo)上增加一層高折射薄層將顯著提高波導(dǎo)傳感器的檢測(cè)能力。

　　2.3 Ta2O5膜的優(yōu)化

　　對(duì)于高折射率薄膜傳感器， S 定義為相對(duì)強(qiáng)度，如下式所示：

　　其中，nsurf由表面平均的折射率(n + n )1=2定義， Neff為波導(dǎo)的有效折射率，nf為薄膜的折射率，nc為包層的折射率。Ey(x)為光的電場(chǎng)分布，Ey(0)為波導(dǎo)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。可以看出， S 隨著nf的增加而增加，說(shuō)明當(dāng)薄膜的折射率變大時(shí)，波導(dǎo)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度隨之變強(qiáng)， S 也會(huì)隨之變得更高[24]。

　　由于低溫模式蒸鍍得到的 Ta2O5一般處于非晶態(tài)，其折射率會(huì)略小于晶態(tài)的折射率2.0。為了進(jìn)一步優(yōu)化 Ta2O5鍍膜結(jié)構(gòu)，將折射率設(shè)置為2.0、1.9、1.8，分別計(jì)算了膜厚在50，70，100，150，170，200，250和300 nm 時(shí)倏逝波的相對(duì)強(qiáng)度，結(jié)果如圖5所示。

　　由圖可知，無(wú)論折射率是2.0、1.9還是1.8，倏逝波的相對(duì)強(qiáng)度都隨膜厚變化先升后降，且都存在一個(gè)最優(yōu)厚度，它們分別為70 nm 、100 nm、150 nm。當(dāng)厚度沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，薄膜的厚度不足以使波導(dǎo)中的光傳輸?shù)礁哒凵渎誓ぬ?，但厚度超過(guò)最優(yōu)值時(shí)，光大部分在薄膜中傳輸，導(dǎo)致包層的倏逝波減少，故相對(duì)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的情況。從峰值相對(duì)強(qiáng)度可知：折射率為1.8時(shí)，相對(duì)強(qiáng)度為25%;折射率為1.9時(shí)相對(duì)強(qiáng)度為27%，折射率為2.0時(shí)相對(duì)強(qiáng)度為28%。折射率越高，倏逝波的相對(duì)強(qiáng)度越強(qiáng)。隨著折射率的降低，所需的膜厚越厚。當(dāng)折射率為2.0時(shí)，峰值的厚度為70 nm ，當(dāng)折射率降至1.8時(shí)，峰值厚度變?yōu)?50 nm ，且折射率越高峰值強(qiáng)度對(duì)厚度越敏感。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，最終選取70，100和150 nm 3個(gè)厚度，利用離子束輔助電子束熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)對(duì)聚合物波導(dǎo)傳感器樣品進(jìn)行了蒸鍍。

　　3 光譜測(cè)量

　　波導(dǎo)傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成如圖6(a)所示。白光光源通過(guò)光纖輸入到聚合物波導(dǎo)中，在聚合物波導(dǎo)上與 Rh B溶液作用后耦合進(jìn)入第二根光纖并深入到光纖光譜儀(idea optics PG2000-pro)。

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