Kann Licht, das aus der äußeren Schicht einer Glasfaser austritt, immer noch für Sensorik verwendet werden?
Wenn Licht in die äußere Schicht einer Glasfaser gelangt, wird dies in der Faseroptik als Anregung von Mantelwellen (Cladding Modes) bezeichnet. Die Antwort auf Ihre Frage lautet ja: Licht, das in die äußere Schicht einer Glasfaser gelangt, kann nicht nur zur Sensorik genutzt werden, sondern ist auch einer der Kern- und Schlüsselmechanismen in den Bereichen Umgebungs- und Biosensorik mit Glasfasern.
I. Was sind Mantelwellen?
In einer Standard-Singlemode-Glasfaser wird Licht durch Totalreflexion im Kern (Core) mit einem Durchmesser von nur etwa 9\ \mu\text{m} begrenzt, was als Kernmodus (Core Mode) bezeichnet wird.
Wenn sich die Struktur der Glasfaser ändert (z. B. durch Verjüngung, Biegung, plötzliche Änderungen des Brechungsindex oder das Einbringen von Langloch-Glasfaser-Gittern (LPG) oder schrägen Glasfaser-Gittern (TFBG)), wird ein Teil des Lichts im Kern in den Mantel (Cladding) der Glasfaser gekoppelt und breitet sich entlang der Grenze zwischen Mantel und externem Medium (Luft, Beschichtung oder Flüssigkeit) weiter aus. Das elektromagnetische Feldverteilungsmuster, das diesem Licht entspricht, sind die Mantelwellen.
II. Wie funktionieren Mantelwellen in der Sensorik?
Das Lichtfeld des normalen Kernmodus ist tief im Kern und im dicken Mantel eingeschlossen und kann nicht direkt mit dem externen Medium in Kontakt kommen, daher ist es sehr unempfindlich gegenüber Änderungen des Brechungsindex, der chemischen Zusammensetzung usw. der Außenumgebung.
Umgekehrt bieten Mantelwellen folgende Vorteile für die Sensorik:
- Evanescent-Wave-Effekt: Beim Übertragen von Mantelwellen erzeugt deren elektromagnetisches Feld zwar hauptsächlich innerhalb des Mantels, aber an der Grenzfläche zwischen Mantel und äußerer Umgebung entsteht ein nach außen reichendes evaneszentes Feld. Dieses evaneszente Feld ist direkt den Medien außerhalb der Glasfaser ausgesetzt.
- Empfindlichkeit gegenüber dem Umgebungsbrechungsindex: Wenn sich der Brechungsindex n_{\text{ext}} , die Konzentration oder die chemische Zusammensetzung des externen Mediums ändern, wird der effektive Brechungsindex n_{\text{eff}} der Mantelwellen direkt beeinflusst. Diese Änderung spiegelt sich in der Ausbreitungskonstante, der Phase und den spektralen Verlusten der Mantelwellen wider.
III. Typische Sensoranwendungen
- Hochpräzisions-Brechungsindex(RI)-Sensoren: Unter Verwendung von schrägen Glasfaser-Gittern (TFBG) wird Lichtenergie in den Mantel gekoppelt. Durch Überwachung der Verschiebung und Amplitudenänderung der Mantelwellen-Resonanzspitzen im Spektrum können die Konzentration, der Zuckergehalt, der Salzgehalt usw. von Flüssigkeiten präzise gemessen werden.
- Bio- und Gassensoren: Die Oberfläche des nackten Glasfasermantels, von der die Beschichtung entfernt wurde, wird mit einer spezifischen Sensorschicht (wie Antigenen, Antikörpern oder nanoporösen Materialien) modifiziert. Wenn das Zielmolekül an diesen dünnen Film bindet, verursacht dies eine signifikante Änderung des lokalen Brechungsindex. Das evaneszente Feld der Mantelwellen erfasst diese Änderung äußerst empfindlich und ermöglicht so den Nachweis von Spurenmengen von Substanzen mit extrem hoher Empfindlichkeit.
- Flüssigkeitsstand- und Grenzflächensensoren: Wenn die Umgebung der Glasfaser von Luft zu Flüssigkeit wechselt, führt die plötzliche Änderung des Brechungsindex an der Grenzfläche dazu, dass bestimmte Mantelwellen abgeleitet werden und Lichtverlust auftreten, wodurch der Flüssigkeitsstand überwacht werden kann.
IV. Unterdrückung von „Mantelwellen“ in industriellen FBG-Sensoren
Es ist erwähnenswert, dass bei Standard-Glasfaser-Gitter-Sensoren, die in der Industrie zur Messung physikalischer Größen wie Temperatur und Dehnung verwendet werden, Mantelwellen eher ein unerwünschter „Interferenzrauschen“ darstellen, der stark vermieden und unterdrückt werden muss.
Bei diesen Sensoren, wie dem OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, basiert die physikalische Messung auf der Bragg-Reflexionsspitze des Kernmodus. Mantelwellen erzeugen eine Reihe von parasitären Verlustspitzen auf der kurzwelligen Seite der Hauptspitze des Reflexionsspektrums. Wenn diese Verlustspitzen zu stark sind, stören sie erheblich die genaue Spitzenfindung und Berechnung der Temperaturhauptspitze durch den Demodulator. Daher werden bei der Herstellung von Glasfasern für solche Präzisionssensoren (wie OFSCN® 300℃ Small diameter optical fiber) und bei den Verkapselungsprozessen oft spezielle Materialien und hochwertige Verkapselungsprozesse verwendet, um Mantelwellen zu unterdrücken und so die hohe Stabilität und das hohe Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors zu gewährleisten.
