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1、光电子·激光第14卷第2期2003年2月JournalofOptoelectronics·LaserVol.14No.2Feb.2003X单模光纤渐逝波传输分析王廷云,陈振宜,沈育青(上海大学光纤研究所,上海201800)摘要:基于光波导理论,分析了单模光纤的渐逝波传输特性,在光纤包层介质具有吸收特性的情况下,导出了渐逝波传输的透入深度公式,得出了单模光纤在轴向上的功率传输情况;讨论了在不同的折射率或消光系数下,渐逝波的透入深度和功率损耗变化特性。研究结果可用来实现高精度、高灵敏度的单模渐逝波传感器,并应用于医学诊断、环境检测
2、、生物和化学分析等方面。关键词:渐逝波;传感器;透入深度;单模光纤中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:100520086(2003)0220136204AnalysisofEvanescentWaveTransmissiononSingle-modeOpticalFibersWANGTing2yun,CHENZhen2yi,SHENYu2qing(InstituteofFiberOptics,ShanghaiUniversity,Shanghai201800,China)Abstract:Ageneralanalys
3、isforevanescentwavetransmissionusingasingle2modeopticalfiberwaspresentedonthebasisofopticalwaveguidetheory.Foranabsorbingmediumsurroundingtheopticalfibercore,anevanescentwavepenetrationdepthwasformulated.Theevanescentwavepowertrans2missionpropertieswerealsoderivedfr
4、omsingle2modeopticalfiber.Theeffectsoftherefractiveindicesandextinctioncoefficientsfordiversemeasuredmaterialsonpenetrationdepthandpowertransmissionwereinvestigated.Theresultscanbeusedtoimplementasingle2modefiberopticevanescentwavesensingofhighlysensitiveandaccurate
5、measurementinareassuchasmedicaldiagnostics,environmen2talmonitoring,biologicalandchemicalanalyses,etc.Keywords:evanescentwave;sensor;penetrationdepth;single2modeopticalfiber纤比多模光纤在光纤表面上有更高的平均电场,即产1引言生了更高的传感效率;从多参数测量的复用结构角度近年来,光纤传感器在生物、环境、化学和材料等考虑,单模光纤也更易于实现、更经济。因此,本
6、文对[1,2]领域的应用得到了人们的热切关注。渐逝波光纤单模光纤的渐逝波传输特性进行了分析。研究结果可传感器与传统的传感器相比,具有远距离传感、分布为单模光纤渐逝波传感器的设计打下基础;由此建立传感、在线测量、设计简单、体积小和成本低等特的单模光纤渐逝波传感器可应用于水质量分析、海水[3][4]点,因此是研究和应用的热点。光纤渐逝波传感检测、生物免疫分析、癌症和爱滋病的抗体分析、病毒器是基于衰减全反射(ATR)光谱实现的。纤芯内的分析等要求灵敏度高、精度高的场合。[5]传输光束渗透到纤芯的包层介质中而形成渐逝波。2渐逝波原理纤
7、芯的不同介质会产生不同特性的渐逝波,因此可以通过渐逝波检测介质的折射率、化学浓度和pH有两种介质,其折射率分别为n1、n2,且n1>n2。值等。当一束光从介质1入射到两介质分界平面时,一般会[3～6]许多作者采用多模光纤作为渐逝波传感器在介质1中存在反射光束;在介质2中会存在折射光的传感元件。在给定相同的耦合功率情况下,单模光束。当入射角大于临界角Hc(sinHc=n2ön1)时,就出现X收稿日期:20022092313基金项目:上海市高校科学基金重点资助项目(02AZ88)第2期王廷云等:单模光纤渐逝波传输分析·137·了全
8、反射(TR)现象。如果介质2是具有衰减的介质,由斯涅耳定律n2sinHt=n1sinHi、全反射条件Hi≥那么可称其为ATR。在这种情况下,会有一部分光渗Hc可知,应有ûn1ön2ûsinHi≥1,所以得:入到低折射率的介质2中,形成了一种不同于介质12n1cosHt=±j2
