锥形光纤制作及其荧光收集特性实验研究

吴建平, 初凤红

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海　200090)



锥形光纤制作及其荧光收集特性实验研究

吴建平, 初凤红

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海200090)

摘要:使用光致聚合法制备了锥形光纤,并对锥形光纤的荧光激发和收集特性进行了研究.通过实验比较了锥形光纤和普通光纤用作传感头对荧光材料的激发和收集的差别.实验结果表明,普通光纤传感头收集不到荧光,而锥形光纤收集到的荧光信号较强.该结果证实了锥形光纤的增强荧光特性,因此在进行基于荧光淬灭原理的爆炸物浓度检测实验时采用锥形光纤作为传感头可以有效提高探测灵敏度.

关键词：锥形光纤; 光致聚合法; 光纤传感头

随着恐怖势力的不断崛起,全世界每天所发生的恐怖袭击事件也在不断增加,这在全球范围内造成了不小的恐慌.各国对此也高度重视,不但加大了对爆炸性物质的检查力度,而且加快了爆炸物检测技术的研究进度.其中,针对爆炸物整体外观进行探测的体检测技术存在价格昂贵、灵敏度低、设备体积大等缺点,在应用方面具有局限性.另外,微痕量检测技术是对爆炸物挥发出的蒸气和黏附于爆炸物容器表面以及任何接触过爆炸物的物(包括人体)表面所残留的微痕量爆炸物质进行检测,与体检测技术相比,其具有可靠性高、性能优异、多功能集成等优点,这也使爆炸物探测器实现小型化、低成本、高精度成为可能.在实际应用中微痕量检测技术应用更为广泛.

目前,爆炸物的微痕量检测可以通过电化学方法[1]、分子印迹法[2]、离子迁移谱法[3]、生物传感法[4]以及光学方法[5-7]等进行.其中又以光学方法,特别是荧光猝灭方法最受人们关注,这是由于与其他方法相比较,荧光猝灭法具有灵敏度高、选择性好、检测速率快、传感器体积小、成本低、操作简便等特点,被认为是目前痕量爆炸物检测方面最理想的技术之一[8].目前,以光纤作为传感元件,基于荧光淬灭原理的爆炸物气体浓度的探测技术得到了迅速发展.为提高对于爆炸物气体浓度探测的灵敏度,可以通过增加接收到的荧光信号的强度来实现.本文将对锥形光纤的制备和荧光特性展开研究.

1锥形光纤的制备

1.1锥形光纤的制备方法和原理

锥形光纤的制备方式有很多种,常见的方法有化学腐蚀法[9]、研磨法[10]以及熔拉法[11],其中熔拉法使用最广泛.有别于上述传统方法,本文将采用光致聚合法[12]合成锥形光纤.光致聚合法的原理为:在一定强度的激光照射下,单体在催化剂的作用下聚合,由于单模光纤出射的光束为高斯光束,因此会在单模光纤的末端形成锥形光纤.锥形光纤的制备示意图如图1所示.

图1　锥形光纤制备示意

锥形光纤制备流程为:

(1) 将共引发剂(甲基二乙醇胺,重量比为8%)和染料敏化剂(署红Y)溶于三丙烯酸单体(季戊四醇三丙烯酸酯)溶剂,制成自由基光聚合试剂[12];

(2) 将端面切平整的石英光纤置于该混合液中放置一定时间后取出,在范德华力作用下光纤端面会沾有一定量的混合溶液;

(3) 由于该自由基光聚合试剂对于波长范围为450～550 nm的激发光敏感,在该波长范围内光的激发作用下,自由基通过交联聚合实现转换[12],实验中采用波长为532 nm的激光通过端面耦合法耦合进入光纤;

(4) 光纤出射端在高斯光束的作用下,单体聚合形成锥形光纤.

1.2锥形光纤制作步骤

首先取一根长约0.5 m的光纤,其参数见表1.利用剥线钳将裸纤两端约10 cm处的涂覆层去除,取一张纸巾蘸少许酒精试剂,擦拭已经去除了涂覆层的裸纤,以保证光纤的清洁度.将裸纤放在光纤切割器上,将裸纤端面切割平整,以保证光纤熔接后,熔接头处的损耗达到最低.为了防止高阶模的出现,再将裸纤打3个直径约1.5 cm的活结.

表1　光纤主要参数

利用光纤熔接机将处理好的裸纤和单模光纤跳线进行熔接,通过观察显示屏上的图像在确认光纤端面是干净平整的情况下再进行熔接.光纤溶接过程如图2和图3所示.熔接完成后需要观察显示屏上的熔接损耗,好的光纤熔接效果具有极低的熔接损耗.

图2　光纤熔接过程中光纤对准

完成上述步骤之后,将处理好的光纤跳线与输出光波长为532 nm的激光器相连.调节激光器使切割好的光纤端面输出激光的光功率稳定于所需值.将切割好的光纤端面蘸取自由基光聚合试剂曝光2 s后,放入酒精中清洗掉残留试剂.在光学显微镜下的锥形光纤如图4所示.

另外,通过锥形光纤的制备实验还发现,改变激发光的输出功率和激光激发光敏试剂的时间可以得到不同外观的锥形光纤.

图3　光纤熔接过程中电弧放电

图4　锥形光纤显微照片

2锥形光纤荧光收集特性的实验研究

通过比较普通光纤和锥形光纤分别涂覆荧光试剂后,在激发光的作用下所产生的荧光信号的强弱,探究锥形光纤对荧光的收集特性.

2.1材料及仪器

实验原料包括无水乙醇溶液、荧光材料罗丹明粉末、实验制备的锥形光纤和普通光纤.实验仪器包括488 nm蓝光激光器、聚焦物镜、三轴NanoMax位移平台、1918-R光功率计和QE65 Pro光谱仪.

2.2实验步骤

首先量取1 mL的无水乙醇溶液,同时称取1 mg的罗丹明粉末,混合均匀配制成1 mg/mL的罗丹明荧光试剂待用.

实验装置如图5所示.采用488 nm的半导体激光器作为激发光源,输出的激光经过反光镜和高通滤光片反射进入40倍物镜,经过物镜聚焦后耦合进入光纤.光纤的一端放置在三轴位移平台上,另一端用光功率计探测从光纤中输出光的光功率.反射回的荧光经高通滤光片和聚焦透镜后进入光谱仪.

图5　实验装置示意

激光器输入光功率一定的条件下,为了获得更高的光功率以激发光纤末端的荧光材料,从而提高荧光发射强度,需要调整三轴位移平台来提高光纤的耦合效率.实验中,为减小荧光信号在光纤中的损耗,需要控制光纤的长度,为此对光纤进行截短处理,同时要保证实验的可操作性,将光纤长度设置为8 cm.为获得更强的荧光信号,在光谱仪端同样需要借助三轴位移平台进行位置调整.实验中采用提拉法将荧光指示剂涂覆到锥形光纤传感头上.

2.3结果与讨论

收集光谱仪接受到的光信号的光谱数据信息,使用Origin 软件绘制普通平头光纤光谱如图6所示.

图6　普通光纤光谱

图6中,500 nm附近的光谱尖峰为纤芯的拉曼散射谱,两种情况下的光谱图并没有产生明显的变化,也就是说使用普通光纤时,激发光对于荧光试剂的激发效果不理想,荧光信号十分微弱,甚至可以忽略不计.

使用制备的锥形光纤进行实验,利用光谱仪采集到的荧光的数据信息绘制光谱图如图7所示.由图7可以看出,涂有罗丹明试剂后的锥形光纤光谱信号与没有涂罗丹明试剂相比产生了巨大变化,激发光激发荧光材料产生的荧光信号导致两者之间的差异.荧光光谱的中心波长位于634 nm附近.

图7　200 uw锥形光纤光谱

由此可知,与普通光纤相比,锥形光纤对于荧光的激发和收集效率明显更强,采用锥形光纤进行基于荧光淬灭的爆炸物浓度探测可以提高探测灵敏度.

锥形光纤之所以具有更好的荧光激发和收集特性,是因为其锥半径小于单模光纤的半径,有较多的倏逝波从锥形光钎的纤芯泄漏到荧光指示剂层.倏逝波作为激发光,使光的强度增强,荧光信号也会随之增强,所以锥形光纤比端面切平的普通光纤所接受到的荧光更强.

3结语

本文为探究锥形光纤的荧光激发和收集特性,搭建了光纤光路系统,采用对比分析法,分别对普通光纤传感头和锥形光纤传感头在涂有荧光试剂和没涂荧光试剂两种情况下的光激发和收集特性进行了实验研究,并得到了各自的光谱图.通过分析光谱图,可以得知普通光纤传感头几乎没有荧光激发和收集特性,而锥形光纤具有很强的荧光激发和收集特性,实验结果很好地证实了这一结论.普通光纤可以近似看成是锥度为零的锥形光纤,通过实验可以初步推断出锥度越大的锥形光纤具有更好的荧光激发和收集特性.为了得出准确的结论,还需要作进一步的实验研究,比如制备不同锥度的锥形光纤,来探究其荧光激发和收集特性.

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(编辑桂金星)

Fabrication of Tapered Fiber and Experimental Study ofIts Fluorescence Collection Characteristic

WU Jianping, CHU Fenghong

(School of Electronics and Information Engineering, Shanghai University of Electric Power,Shanghai200090, China)

Abstract:Tapered fiber is prepared in the method of photo-polymerization,and its fluorescence excitation and collection characteristics are also studied through experiment,and the differences are compared between the tapered fiber and ordinary optical fiber used as the sensor head to the excitation and collection of fluorescent material.Experimental results show that ordinary optical fiber sensor head could not collect fluorescence signals,but the tapered fiber collects stronger fluorescence signal.The result confirms the enhanced fluorescence collection characteristics of a tapered fiber.Using tapered fiber as sensor head can improve the detection sensitivity when carrying out the explosives detection-experiment based on fluorescence quenching method.

Key words:tapered fiber; photo-polymerization; fiber optic sensor head

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.02.018

收稿日期：2015-09-22

作者简介：通讯吴建平(1990-),男,在读硕士,江苏东台人.主要研究方向为光纤气体传感技术.E-mail:1049806519@qq.com.

中图分类号：TN253;TP212

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2016)02-0199-04