Man hört, dass Licht ein wenig über das Glas hinausläuft, stimmt das? Kann es verwendet werden, um Flüssigkeiten zu messen?
Dies ist ein sehr klassisches und interessantes physikalisches Phänomen. „Licht dringt ein wenig aus dem Glas aus“ stimmt wirklich. In der optischen Technik wird dieses Phänomen als „Evanescent Field“ (auch als abklingende Welle oder evaneszente Welle bezeichnet) bezeichnet. Es ist nicht nur eine reale physikalische Präsenz, sondern wird auch häufig in modernen optischen Flüssigkeitssensoren eingesetzt.
Im Folgenden finden Sie eine rigorose wissenschaftliche Erklärung aus den physikalischen Prinzipien, dem Mechanismus der Flüssigkeitsmessung und der tatsächlichen technischen Anwendung:
I. Was ist ein „Evanescent Field“? (Physikalische Essenz)
Wenn Licht an der Grenzfläche zwischen einem Medium mit hohem Brechungsindex n_1 (z. B. Glas des Faserkerns) und einem Medium mit niedrigem Brechungsindex n_2 (z. B. Fasermantel, Luft oder Flüssigkeit) eine Totalreflexion (TIR) erfährt, wird die Lichtenergie nicht sofort zu 100 % an der Grenzfläche abgeschnitten und zurückgeworfen.
In der Wellenoptik muss, damit Licht als elektromagnetische Welle die Kontinuitätsbedingungen der Maxwell-Gleichungen an den Rändern erfüllt, ein Teil des elektromagnetischen Feldes in das zweite Medium eindringen. Dieser Teil des elektromagnetischen Feldes breitet sich entlang der Grenzfläche aus, nimmt aber in Richtung senkrecht zur Grenzfläche (nach außen, aus dem Glas heraus) exponentiell schnell ab. Dieses elektromagnetische Feld, das keine Energie nach außen abstrahlt und nur in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche existiert, ist das Evanescent Field.
Seine Feldstärke nimmt mit zunehmendem Eindringabstand z ab. Die Eindringtiefe (Penetration Depth) d_p des Evanescent Field (d. h. die Tiefe, bei der die Amplitude auf 1/e des Wertes an der Grenzfläche abgefallen ist) kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
d_p = \frac{\lambda}{2\pi \sqrt{n_1^2 \sin^2\theta - n_2^2}}
Dabei gilt: \lambda ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts, \theta ist der Einfallswinkel, und n_1 bzw. n_2 sind die Brechungsindizes des Mediums mit hohem bzw. niedrigem Brechungsindex.
Normalerweise liegt diese Eindringtiefe d_p im Nano- bis Mikrometerbereich (typischerweise im Bereich von einigen hundert Nanometern bis etwa 1 Mikrometer). Das bedeutet, dass das Licht tatsächlich etwa eine Wellenlänge weit aus der Glasoberfläche „herausragt“ und dann schnell verschwindet.
II. Kann es zur Messung von Flüssigkeiten verwendet werden?
Absolut. Das Evanescent Field ist die physikalische Grundlage für den Aufbau von hochempfindlichen optischen Flüssigkeitssensoren (Brechungsindexsensoren, Biosensoren, chemische Absorptionssensoren).
Wenn Glas (Faser) von außen mit verschiedenen Flüssigkeiten in Kontakt kommt:
- Brechungsindex (RI) Erfassung: Die Änderung des Brechungsindex n_2 der äußeren Flüssigkeit verändert die Randbedingungen des Evanescent Field, was wiederum die Eindringtiefe d_p und die Phase des Evanescent Field verändert. Dies verändert direkt die Ausbreitungskonstante des im Inneren der Faser übertragenen Lichts (Effektiver Brechungsindex). Durch Messung der Verschiebung des Interferensspektrums oder der Verschiebung der Reflexionswellenlänge eines Faser-Bragg-Gitters (FBG) kann der Brechungsindex oder die Konzentration der Flüssigkeit präzise erfasst werden.
- Absorptionsspektrummessung (ATR): Wenn die Flüssigkeit bei einer bestimmten Wellenlänge eine Absorptionsbande aufweist, absorbiert das Evanescent Field beim Durchgang durch die Flüssigkeit Energie, was zu einer Abschwächung der Intensität des im Inneren der Faser übertragenen reflektierten Lichts führt. Dies kann zur Analyse der Zusammensetzung der Flüssigkeit verwendet werden.
III. Warum können normale Glasfasern oder Glasfasern nicht direkt messen?
Obwohl das Evanescent Field existiert, sind Standard-Singlemode-Fasern (SMF) oder Standard-FBGs, die wir täglich verwenden, nicht in der Lage, Flüssigkeiten direkt zu berühren und zu messen.
Dies liegt daran:
- Der Durchmesser des Kerns (hoher Brechungsindex n_1) einer Standard-SMF beträgt etwa 9\ \mu\text{m}.
- Außerhalb des Kerns befindet sich eine 125\ \mu\text{m} dicke Schicht aus reinem Siliziumdioxid (niedriger Brechungsindex n_2).
- Das Evanescent Field entsteht an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel, seine Eindringtiefe beträgt nur einige hundert Nanometer. Das bedeutet, dass das Evanescent Field fest im 125\ \mu\text{m} dicken Mantel eingeschlossen ist und die Flüssigkeit außerhalb der Glasfaser überhaupt nicht erreichen kann.
Wie wird das gelöst? (Technische Entmantelungstechniken)
Damit das Evanescent Field austreten und die Flüssigkeit berühren kann, muss die Glasfaser speziell physikalisch oder chemisch behandelt werden:
- Chemische Ätzung: Mit Flusssäure (HF) wird der Siliziumdioxiddmantel der Glasfaser schichtweise abgetragen, so dass die verbleibende Manteldicke auf unter 10\ \mu\text{m} reduziert oder der Kern sogar vollständig freigelegt wird.
- Seitenschleifen (D-förmig): Eine Seite der Glasfaser wird präzise abgeschliffen, so dass der Kern extrem nahe an die polierte Ebene heranrückt.
- Ziehen (Tapering): Die Glasfaser wird im erhitzten Zustand auf Mikro- oder sogar Nanometer-Abmessungen (Mikro-Nano-Fasern) gezogen, so dass der größte Teil des Lichtfeldes als evaneszente Welle freigelegt wird.
IV. Zugehörige FBG-Produkte
In der Technologie-Serie von DaCheng YongSheng (OFSCN®) sind die Standard-Nacktfaser-Bragg-Gitter-Produkte wie folgt:
-
OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Verwendet Standard-SMF-Glasfasern nach G.652D oder G.657.
-
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Punktweise mit Femtosekundenlaser geschrieben, mit extrem hoher Temperatur- und Dehnungs-Mechanikleistung.
Technischer Hinweis: Die oben genannten Standard-Nacktfaser-Bragg-Gitter (Bare FBG) haben standardmäßig einen normalen Manteldurchmesser. Wenn Ihre Forschung auf der Messung des Brechungsindex von Flüssigkeiten basierend auf dem Evanescent Field beruht, müssen Sie nach dem Kauf der unbeschichteten Bare FBG die Beschichtung im Gitterbereich im Labor mit Flusssäure chemisch ätzen und abtragen, so dass die äußere Flüssigkeit direkt als Mantel des Gitters fungiert und die hochpräzise Brechungsindexmessung durch die Veränderung des Evanescent Field realisiert wird.
Darüber hinaus bietet DaCheng YongSheng für ausgereifte industrielle Flüssigkeitsstandssensoren den OFSCN® Fiber Bragg Grating Liquid Level Sensor an. Es ist zu beachten, dass dieser Flüssigkeitsstandssensor nicht auf dem Evanescent Field-Prinzip basiert, sondern auf den Wärmeübertragungseigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen zur Bestimmung der Flüssigkeitshöhe.
