Warum können schräg eingravierte Gitter Umgebungsflüssigkeitsänderungen wahrnehmen?
Neigbare Faser-Bragg-Gitter (Tilted Fiber Grating, TFG oder TFBG) können Flüssigkeitsänderungen wahrnehmen. Der Kernmechanismus liegt in der räumlichen Symmetrie-Brechung, die zur Kopplung von Mantelmoden (Cladding Mode Coupling) führt.
1. Warum sind normale Faser-Bragg-Gitter (FBG) unempfindlich gegenüber Flüssigkeiten?
Bei einem normalen FBG sind die Gitterlinien senkrecht zur Faserachse ausgerichtet (also mit einem Neigungswinkel \theta = 0^\circ ).
In dieser Konfiguration koppelt der vorwärts gerichtete Kern-Grundmodus (der LP_{01} -Modus) nur mit dem rückwärts gerichteten Kern-Grundmodus, was zu einer Reflexion führt. Da die Energie des elektromagnetischen Feldes des Kern-Grundmodus hochgradig im Faserkern konzentriert ist (typischer Durchmesser ca. 9\ \mu\text{m} ), der von einer dicken Glasummantelung umgeben ist (typischer Durchmesser 125\ \mu\text{m} ), dringen Änderungen des Brechungsindex der umgebenden Flüssigkeit und Umgebung nicht zum Lichtfeld im Kern vor. Daher sind normale FBG vollständig unempfindlich gegenüber dem Brechungsindex von äußeren Flüssigkeiten.
2. Symmetrie-Brechung und Mantelmodenkopplung in geneigten Gittern
Wenn das Gitter „schräg“ hergestellt wird (d.h. die Gitterlinien bilden einen Winkel \theta zur Normale der Faserachse), wird die ursprüngliche zylindrische Symmetrie der Faser gebrochen:
- Anregung von Mantelmoden: In dieser geneigten Struktur koppelt der vorwärts gerichtete Kern-Grundmodus beim Durchgang durch die Gitterzone nicht nur mit dem rückwärts gerichteten Kern-Grundmodus, sondern wird auch zwangsweise in eine Reihe von rückwärts (oder bei stark vorwärts geneigten Gittern, Ex-TFG, in vorwärts gerichtete) transportierte Mantelmoden (Cladding Modes, wie LP_{lm} -Moden höherer Ordnungen) gekoppelt.
- Umgebung als Randbedingung: Im Gegensatz zum Grundmodus, der tief im Kern eingeschlossen ist, werden die Mantelmoden innerhalb der Faserummantelung transportiert. Da die äußere Schicht der Faserummantelung nicht geschützt ist, steht ihre äußere Grenze in direktem Kontakt mit der äußeren Umgebung (z. B. der zu messenden Flüssigkeit). Daher fungiert der Brechungsindex der äußeren Flüssigkeit (Surrounding Refractive Index, SRI, oft als n_{\text{surr}} bezeichnet) direkt als Randbedingung für die Ausbreitung der Mantelmoden.
3. Wie ändert der Flüssigkeitsbrechungsindex das Spektrum?
Gemäß der Phasenanpassungsbedingung erfüllt die Resonanzwellenlänge \lambda_{\text{cl}, i} der Kopplung des Kern-Grundmodus zum i -ten rückwärts gerichteten Mantelmodus die folgende Formel:
\lambda_{\text{cl}, i} = (n_{\text{eff}}^{\text{core}} + n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i}) \frac{\Lambda}{\cos \theta}
wobei:
- n_{\text{eff}}^{\text{core}} der effektive Brechungsindex des Kern-Grundmodus ist.
- n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} der effektive Brechungsindex des i -ten Mantelmodus ist.
- \Lambda die Periode des Gitters entlang der Achse ist.
- \theta der Neigungswinkel des Gitterstreifens ist.
Wenn sich die Eigenschaften der äußeren Flüssigkeit ändern (z. B. durch Änderung der Flüssigkeitskonzentration, der Zusammensetzung oder durch Ersatz von Wasser durch Ethanol etc.), ändert sich der Brechungsindex der Flüssigkeit n_{\text{surr}} . Dies beeinflusst direkt die physikalische Grenze der Mantelmoden und verändert somit deren effektiven Brechungsindex n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} .
Bei der Beobachtung des Transmissionsspektrums mit einem Spektrumanalysator (OSA) stellen Sie Folgendes fest:
- Wellenlängenverschiebung: Die Absorptionsspitzen (Resonanzwellenlängen \lambda_{\text{cl}, i} ), die den einzelnen Mantelmoden entsprechen, verschieben sich nach links oder rechts.
- Änderung der Intensität und Spitzentiefe: Wenn der Flüssigkeitsbrechungsindex nahe dem Brechungsindex der Ummantelung (Siliziumdioxid ca. 1.444 ) liegt, werden die entsprechenden Mantelmoden allmählich zu Strahlungsmoden, die als Strahlung entweichen, wodurch die Resonanzspitzen flacher werden oder sogar verschwinden.
Durch präzise Kalibrierung und Spektrumanalyse können geneigte Gitter den Brechungsindex, die Konzentration und biochemische Indikatoren äußerer Flüssigkeiten mit extrem hoher Empfindlichkeit in Echtzeit erfassen und messen.
Hinweis zur OFSCN® Produktlinie
Die TFG/TFBG-Technologie wird hauptsächlich in spezialisierten akademischen Bereichen wie Präzisionslaboren, biochemischen Sensoren und zur Kalibrierung des Brechungsindex eingesetzt. Derzeit gehört die neigbare Faser-Bragg-Gitter-Technologie (TFG) nicht zur Kernstandard-Produktreihe von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) konzentriert sich hauptsächlich auf hochwertige Standard-Faser-Bragg-Gitter (FBG), Hochtemperatur-Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (wie Sensoren der Klassen 500^\circ\text{C} und 800^\circ\text{C} ), hochfeste/dünne FBG-Blankgitter und Multicore-Faser-Bragg-Form-Sensoren.
Wenn Sie in Ihrer Anwendung eine Flüssigkeitsstandüberwachung benötigen, bietet OFSCN® Flüssigkeitsstandsensoren an, die auf dem etablierten thermischen Prinzip (Unterscheidung von Flüssigkeit und Luft durch Temperaturdifferenz) basieren:
OFSCN® Fiber Bragg Grating Liquid Level Sensor
Dieses Produkt ist unabhängig vom Brechungsindex der äußeren Flüssigkeit. Es verwendet eine Edelstahlpanzerung für eine thermisch empfindliche Verkapselung und bietet eine stabilere Leistung in anspruchsvollen Umgebungen wie Industrieanlagen, Dammbauwerken oder bei extremen chemischen Anwendungen. Das Produktbild ist wie folgt:
