Я слышал, что свет немного выходит за пределы стекла, это правда? Можно ли его использовать для измерения жидкости?
Это очень классическое и интересное физическое явление. «Свет немного выходит за пределы стекла» — это правда; в оптической инженерии это явление известно как «эванесцентное поле» (Evanescent Field, также переводится как затухающая волна). Это не только реальное физическое явление, но и широко применяется в современных оптических жидкостных датчиках.
Ниже приводится строгое научное объяснение с точки зрения физических принципов, механизма измерения жидкости и практического применения в инженерии:
I. Что такое «эванесцентное поле»? (Физическая суть)
Когда свет испытывает полное внутреннее отражение (Total Internal Reflection, TIR) на границе раздела двух сред с разными показателями преломления, n_1 (например, стекло сердцевины оптического волокна) и n_2 (например, сердцевина оптического волокна, воздух или жидкость), световая энергия не обрезается мгновенно на 100% и не отражается.
В волновой оптике свет, будучи электромагнитной волной, для выполнения условий непрерывности уравнений Максвелла на границе раздела должен проникать во вторую среду. Эта часть электромагнитного поля распространяется вдоль границы, но экспоненциально быстро затухает в направлении, перпендикулярном границе (наружу от стекла). Это электромагнитное поле, которое не излучает энергию наружу и существует только на очень близком расстоянии от границы, и есть эванесцентное поле.
Его интенсивность поля уменьшается с увеличением расстояния проникновения z. Глубина проникновения (Penetration Depth) эванесцентного поля d_p (расстояние, на котором амплитуда уменьшается до 1/e от значения на границе) может быть рассчитана по следующей формуле:
d_p = \frac{\lambda}{2\pi \sqrt{n_1^2 \sin^2\theta - n_2^2}}
Где: \lambda — длина волны падающего света, \theta — угол падения, n_1 и n_2 — показатели преломления среды с высоким и низким показателем преломления соответственно.
Обычно эта глубина проникновения d_p находится в диапазоне от нанометров до микрометров (обычно от нескольких сотен нанометров до 1 микрометра). Это означает, что свет действительно «выступает» из поверхности стекла примерно на длину волны, а затем быстро исчезает.
II. Можно ли использовать это для измерения жидкости?
Абсолютно. Эванесцентное поле является физической основой для создания высокочувствительных оптических жидкостных датчиков (датчиков показателя преломления, биосенсоров, датчиков поглощения химических веществ).
Когда стекло (оптическое волокно) контактирует с различными жидкостями снаружи:
- Восприятие показателя преломления (RI): Изменение показателя преломления n_2 внешней жидкости изменяет граничные условия эванесцентного поля, что, в свою очередь, изменяет глубину проникновения d_p и фазу эванесцентного поля. Это напрямую изменяет постоянную распространения света, передаваемого внутри оптического волокна (эффективный показатель преломления). Измеряя смещение интерференционного спектра или смещение длины волны отражения брэгговской решетки в оптическом волокне (FBG), можно точно определить показатель преломления или концентрацию жидкости.
- Измерение спектра поглощения (нарушенное полное внутреннее отражение ATR): Если жидкость имеет пик поглощения на определенной длине волны, эванесцентное поле, проходя через жидкость, поглощает энергию, что приводит к ослаблению интенсивности отраженного света, передаваемого внутри оптического волокна. На основании этого можно проводить анализ состава жидкости.
III. Почему обычное стекло или оптическое волокно не могут измерять напрямую?
Хотя эванесцентное поле действительно существует, стандартные одномодовые оптические волокна или стандартные брэгговские решетки в оптическом волокне (FBG), используемые нами в повседневной жизни, не могут напрямую контактировать с жидкостью и измерять ее.
Это связано с тем, что:
- Диаметр сердцевины (высокий показатель преломления n_1) стандартного одномодового оптического волокна составляет около 9\ \mu\text{m}.
- Сердцевина покрыта слоем чистого диоксида кремния (низкий показатель преломления n_2) толщиной 125\ \mu\text{m}.
- Эванесцентное поле возникает на границе раздела сердцевины и оболочки, его глубина проникновения составляет всего несколько сотен нанометров, что означает, что эванесцентное поле надежно заперто внутри оболочки толщиной 125\ \mu\text{m} и совершенно не может контактировать с жидкостью вне оптического волокна.
Как решить эту проблему? (Технология удаления оболочки в инженерии)
Чтобы эванесцентное поле могло выйти наружу и контактировать с жидкостью, требуется специальная физическая или химическая обработка оптического волокна:
- Химическое травление (Chemical Etching): Использование плавиковой кислоты (HF) для уменьшения толщины оболочки из диоксида кремния оптического волокна, чтобы остаточная толщина оболочки составила менее 10\ \mu\text{m} или даже полностью обнажила сердцевину.
- Боковая полировка (Side-polishing / D-shaped): Точная полировка одной стороны оптического волокна, чтобы сердцевина находилась очень близко к полированной плоскости.
- Вытягивание (Tapering): Оптическое волокно вытягивается до микрометрового или даже нанометрового уровня (микро-нанооптическое волокно) при нагреве, так что большая часть светового поля оказывается на внешней стороне оптического волокна в виде эванесцентной волны.
IV. Связанные продукты с брэгговскими решетками в оптическом волокне (FBG)
В линейке технологий DaCheng YongSheng (OFSCN®) стандартные продукты с брэгговскими решетками в оптическом волокне (Bare Fiber Bragg Gratings) следующие:
-
OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Используются стандартные одномодовые оптические волокна G.652D или G.657.
-
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Записываются по точкам фемтосекундным лазером, обладают чрезвычайно высокими механическими характеристиками по температуре и деформации.
Технический совет:
Вышеуказанные стандартные брэгговские решетки в оптическом волокне (Bare FBG) по умолчанию имеют стандартный диаметр оболочки. Если ваше исследование направлено на измерение показателя преломления жидкости с использованием эванесцентного поля, вам необходимо после покупки непокрытой Bare FBG в лаборатории провести химическое травление и удаление оболочки в зоне решетки с помощью плавиковой кислоты, чтобы внешняя жидкость напрямую служила оболочкой решетки, тем самым реализуя высокоточный датчик показателя преломления за счет изменения эванесцентного поля.
Кроме того, если вам нужен готовый промышленный датчик определения уровня жидкости, DaCheng YongSheng предлагает OFSCN® Fiber Bragg Grating Liquid Level Sensor. Стоит отметить, что этот датчик уровня жидкости основан не на принципе эванесцентного поля, а на физических характеристиках теплопередачи между жидкостью и газом для определения высоты уровня жидкости.
