暨南大學:基于傾斜光纖布拉格光柵局域光散射的原位表面濁度傳感器

暨南大學郭團教授課題組提出了一種緊湊的光纖傳感器，用于原位和連續的濁度監測，其基于來自目標顆粒的偏振消失波的表面光學散射。該傳感器由一個傾斜光纖布拉格光柵（TFBG）組成，封裝在一個微流體毛細管內。TFBG的透射光譜提供了一組精細的窄包層共振梳，這些共振梳對濁度非常敏感，因為它們是由靠近光纖表面的微粒引起的偏振消失波的局部光散射（與傳統的整體/體積濁度測量相反）。此外，還提出了一種透射光譜區域詢問方法，并量化了表面濁度與光學光譜區域響應之間的可重復相關性。我們展示了當傳感包層共振的波長與周圍固體顆粒的大小匹配時，可以實現敏感度的濁度響應。

光纖傳感器，包括微納米光纖、TFBG 和法布里-珀涉儀（FPI），因其低侵入性、抗電磁干擾和耐化學腐蝕等優勢，在生物醫學、環境保護和能源存儲等領域的現場檢測中展現出巨大潛力。傳統的濁度計具有一個發射光纖端和一個接收光纖端，用于測量與入射光束成一定角度的散射光強度。濁度是從光束通過樣品時被顆粒散射的程度推斷出來的 。此外，漫反射紫外-可見光譜已被用于監測水樣的濁度。光通過熔融石英準直透鏡照射到測試樣品中，收集反射光以非接觸方式估算樣品的質量和濃度。最近，提出了同時區分液體樣品的溫度和濁度的方法。總之，上述所有方法都專注于通過評估液體樣品中雜質的透明度來進行整體/體積濁度測量。然而，仍然非常需要定量測量局部濁度，即目標樣品表面處的濁度。例如，最近的一篇論文報道了通過監測電解質的濁度來追蹤電池的化學動力學/狀態及其容量損失，該濁度是通過顆粒誘導的光散射和吸收在電解質-電極界面處進行的。

暨大郭團教授課題組，提出了一種基于TFBG的原位表面濁度測量新方法。TFBG的透射光譜提供了一組對表面濁度高度敏感的窄帶包層共振精細梳狀圖譜，這是由于包層模式與附著在TFBG表面的微粒之間可能發生的多重散射效應。這種散射表現為高總插入損耗。當微粒的直徑遠小于入射光的波長時，雷利散射成為主導的散射機制。然而，當微粒的大小與入射光的波長相當時，米氏散射更可能占據主導地位。還提出了一種新的光譜區域詢問方法，在這種方法中，利用傳感器包層模式的光譜變化的總和來精確測量濁度變化。我們成功地建立了TFBG的光譜特性、濁度和粒子大小之間的對應關系。我們提出的TFBG傳感器的一個額外優點是，它利用了核心模式對周圍介質中的散射和吸收不敏感的優勢，同時僅對溫度敏感，從而提供了一種有前景的溫度獨立表面濁度測量方法。光柵平面的方向傾斜可以有效地將前向傳播的核心模式耦合到數百個后向傳播的包層模式中，以產生如圖1所示的密集梳狀透射振幅光譜。其中，短波長側的高階包層模式擁有強大的消逝場。當周圍介質的折射率在TFBG的消逝場采樣區域內發生變化時，相應包層模式的共振位置和振幅也會相應改變。

來源：傳感器專家網