Почему наклонно вытравленные решетки могут обнаруживать изменения в окружающей жидкости?
Наклоненные волоконные брэгговские решетки (Tilted Fiber Grating, TFG или TFBG) способны воспринимать изменения в окружающей жидкости, а их основной физический механизм заключается в нарушении пространственной симметрии, вызывающем резонансное возбуждение мод сердцевины (Cladding Mode Coupling).
1. Почему обычные волоконные брэгговские решетки (FBG) не способны воспринимать жидкость?
В стандартных обычных волоконных брэгговских решетках штрихи решетки перпендикулярны оси волокна (т.е. угол наклона \theta = 0^\circ ).
При такой структуре прямая передача основной моды сердцевины (моды LP_{01} ) может отражаться только в основную моду сердцевины, передаваемую в обратном направлении. Поскольку энергия электромагнитного поля основной моды сердцевины сильно сконцентрирована внутри сердцевины волокна (диаметр обычно составляет всего около 9\ \mu\text{m} ), она окружена толстой стеклянной оболочкой (диаметр обычно 125\ \mu\text{m} ). Изменения показателя преломления окружающей жидкости и среды совершенно не влияют на световое поле внутри сердцевины, поэтому обычные FBG полностью нечувствительны к показателю преломления внешней жидкости.
2. «Нарушение симметрии» наклонной решетки и возбуждение мод оболочки
Когда вы «вырезаете под углом» (то есть делаете штрихи решетки под углом \theta к нормали к оси волокна), исходная цилиндрическая симметрия волокна нарушается:
- Возбуждение мод оболочки: При такой наклонной структуре основная мода сердцевины, передаваемая в прямом направлении, при прохождении через область решетки не только сопрягается с основной модой сердцевины, передаваемой в обратном направлении, но и принудительно возбуждает серию мод оболочки (Cladding Modes, например, моды LP_{lm} различных порядков), передаваемых в обратном направлении (или в прямом направлении в случае решеток с большим углом наклона Ex-TFG).
- Внешняя среда как граничные условия: В отличие от основной моды, глубоко запертой в сердцевине, моды оболочки — это световые моды, распространяющиеся в оболочке волокна. Поскольку снаружи волокно не имеет защитной оболочки, внешняя граница оболочки непосредственно контактирует с внешней средой (например, с измеряемой жидкостью). Поэтому показатель преломления внешней жидкости (Surrounding Refractive Index, SRI, обычно обозначаемый как n_{\text{surr}} ) непосредственно служит внешним граничным условием для распространения мод оболочки.
3. Как показатель преломления жидкости изменяет спектр?
Согласно условию фазового синхронизма, длина волны резонанса \lambda_{\text{cl}, i} , при которой основная мода сердцевины сопрягается с i-й модой оболочки, передаваемой в обратном направлении, удовлетворяет следующей формуле:
\lambda_{\text{cl}, i} = (n_{\text{eff}}^{\text{core}} + n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i}) \frac{\Lambda}{\cos \theta}
Где:
- n_{\text{eff}}^{\text{core}} — эффективный показатель преломления основной моды сердцевины.
- n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} — эффективный показатель преломления i-й моды оболочки.
- \Lambda — период решетки вдоль оси.
- \theta — угол наклона штрихов решетки.
При изменении свойств внешней жидкости (например, изменении концентрации, состава или замене воды на этанол и т. д.) изменяется показатель преломления жидкости n_{\text{surr}} . Это напрямую влияет на физическую границу мод оболочки, тем самым изменяя эффективный показатель преломления n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} этой моды.
При наблюдении спектра пропускания через оптический спектральный анализатор (OSA) вы увидите:
- Смещение длины волны: Пики поглощения (резонансные длины волн \lambda_{\text{cl}, i} ), соответствующие различным модам оболочки, будут смещаться влево или вправо.
- Изменение интенсивности и глубины затухания: Когда показатель преломления жидкости приближается к показателю преломления оболочки (около 1.444 для диоксида кремния), соответствующие моды оболочки постепенно преобразуются в излучающие моды и утекают, приводя к уменьшению или даже исчезновению резонансных пиков.
С помощью точной калибровки и демодуляции спектра наклонная решетка может в реальном времени воспринимать и измерять показатель преломления, концентрацию и биохимические показатели внешней жидкости с чрезвычайно высокой чувствительностью.
Информация о линейке продуктов OFSCN®
Технология наклонных волоконных брэгговских решеток (TFG / TFBG) в основном применяется в узкоспециализированных областях, таких как точные лаборатории, биохимические датчики и калибровка показателей преломления. В настоящее время наклонные волоконные брэгговские решетки (TFG) не входят в основную стандартизированную линейку продуктов компании Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) в основном специализируется на высококачественных стандартных волоконных брэгговских решетках (FBG), высокотемпературных датчиках температуры на основе FBG (например, датчики класса 500^\circ\text{C} и 800^\circ\text{C} ), высокопрочных FBG с малым диаметром, а также датчиках формы на основе многожильных волоконных решеток.
Если вам требуется контроль уровня жидкости в инженерных приложениях, OFSCN® предлагает датчики уровня жидкости, основанные на проверенном принципе разницы температур (использующем разницу температур между жидкостью и воздухом для различения), и соответствующие продукты:
OFSCN® Fiber Bragg Grating Liquid Level Sensor
Этот продукт не зависит от показателя преломления внешней жидкости, а использует термостойкую бронированную оболочку для термочувствительной герметизации, демонстрируя более стабильную работу в сложных промышленных условиях, на объектах гидротехнического строительства или в экстремальных химических средах. Пример продукта:
