DOI: 10.17586/1023-5086-2018-85-12-49-59

Датчик для измерения показателя преломления на основе градиентного многомодового волокна с полированной боковой поверхностью для биологических применений

Gao Dan, Lei Hao, Zhang Jun, Yu Jianhui, Zhu Wenguo, Lu Huihui, Guan Heyuan, Tang Jieyuan, Xie Mengyuan, Luo Yunhan, Dong Jiangli, Arsad Norhaha, Chen Zhe, Wang Fan

Полный текст «Оптического журнала»

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Dan Gao, Hao Lei, Jun Zhang, Jianhui Yu, Wenguo Zhu, Huihui Lu, Heyuan Guan, Jieyuan Tang, Mengyuan Xie, Yunhan Luo, Jiangli Dong, Norhaha Arsad, Zhe Chen, Fan Wang Side polished graded index multimode fiber based refractive index sensor for biology measurement (Датчик для измерения показателя преломления на основе градиентного многомодового волокна с полированной боковой поверхностью для биологических применений) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 12. С. 49–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-12-49-59

Ссылка на англоязычную версию:

Dan Gao, Hao Lei, Jun Zhang, Jianhui Yu, Wenguo Zhu, Huihui Lu, Heyuan Guan, Jieyuan Tang, Mengyuan Xie, Yunhan Luo, Jiangli Dong, Norhaha Arsad, Zhe Chen, and Fan Wang, "Side polished graded index multimode fiber based refractive index sensor for biology measurement," Journal of Optical Technology. 85(12), 780-788 (2018). https://doi.org/10.1364/JOT.85.000780

Аннотация:

Предложен датчик на основе градиентного многомодового волокна с полированной боковой поверхностью для измерения показателя преломления в биологических исследованиях. Часть боковой поверхности волокна, включая оболочку и часть сердцевины, механически сполировывалась так, чтобы организовать окно утечки излучения. Потери мощности из волокна при этом чувствительны к величине показателя преломления жидкостей, определяемых при анализе и контактирующих с окном утечки. Обнаружена корреляция высокой степени линейности между потерями и величиной показателя преломления аналита.Исследовано влияние каждого из параметров изготовленной структуры на чувствительность и линейность при проведении измерений. Моделирование и эксперимент показали, что наилучшие результаты демонстрирует волокно с диаметром сердцевины 50 мкм и расстоянием от её оси до площадки утечки 10 мкм, обеспечивая чувствительность 40,92 дБ на единицу изменения показателя преломления в диапазоне 1,300–1,450 мкм. С лёгкостью обнаруживались двухпроцентные изменения показателя преломления в коровьей внутриутробной сыворотке. Обеспечивается простое и быстрое определение показателей преломления в области 1,3–1,45 мкм при проведении биологических исследований.

Ключевые слова:

многомодовое градиентное оптическое волокно, полированная боковая поверхность, уходящие волны, датчик на основе градиентного волокна, биологические измерения

Благодарность:

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая (гранты №№ 61675092, 61475066, 61771222, 61405075, 61401176, 61505069, 61575084), Фонда естественных наук провинции Гуандун (гранты №№ 2016A030313079, 2014A030313377, 2015A030306046, 2015A030313320, 2016A030311019, 2016A030310098, 2014B010120002), Научно-технологических проектов провинции Гуандун (гранты №№ 2017A010102006, 2015A020213006, 2015B010125007, 2016B010111003, 2016A010101017), Научно-технологических проектов Гуанчжоу (гранты №№ 201707010396, 201506010046, 201605030002, 201607010134, 201707010253) и Фондов фундаментальных исследований центральных университетов Китая (грант № 21617333).

Коды OCIS: 060.0060

Список источников:

1. Liu P.Y., Chin L.K., Ser W., Chen H.F., Hsieh C.M., Lee C.H., Sung K.B, Ayi T.C., Yap P.H., Liedberg B., Bourouina T., Leprince-Wang Y. Cell refractive index for cell biology and disease diagnosis: past, present and future // Lab. Chip. 2016. V. 16. № 4. P. 634–644.
2. Claudecir R. Biazoli, Susana Silva, Marcos A.R. Franco, Orlando Frazäo, Cristiano M.B. Cordeiro. Multimode interference tapered fiber refractive index sensors // Appl. Opt. 2012. V. 51. № 24. P. 5941–5945.
3. Orlando Frazäo, Susana O. Silva, Jaime Viegas, Luís A. Ferreira, Francisco M. Araújo, José L. Santos. Optical fiber refractometry based on multimode interference // Appl. Opt. 2011. V. 50. № 25. P. E184–E188.
4. Wenjun Zhou, Yan Zhou, Xxinyong Dong, Li-Yang Shao, Jia Cheng, Jacques Albert. Fiber-optic curvature sensor based on cladding-mode Bragg grating excited by fiber multimode interferometer // IEEE Photonics J. 2012. V. 4. № 3. P. 1051–1057.
5. Jin-Fei Ding, Zhang A.P., Li-Yang Shao, Jin-Hua Yan, Sailing He. Fiber-taper seeded long-period grating pair as a highly sensitive refractive-index sensor// IEEE Photonic Techl. 2005. V. 17. № 6. P. 1247–1249.
6. Qiu-Shun Li, Xu-Lin Zhang, Dong Xiang, Lan Zheng, Yan Yang, Jun-Hui Yang, Dong Feng, Wen-Fei Dong. An ultrasensitive long-perios fiber grating-based refractive index sensor with long wavelengths // Sensors. 2016. V. 16. № 12. P. 2205.
7. Amit Singh. Various characteristics of long-period fiber grating-based refractive index sensor // Optik. 2015. V. 126. № 24. P. 5439–5543.
8. Ṡmietana M., Kova M., Miulic P., Bock W.J. Measurements of reactive ion etching process effect using long-period fiber gratings // Opt. Express. 2014. V. 22. № 5. P. 5986–5994.
9. Ṡmietana M., Kova M., Miulic P., Bock W.J. Towards refractive index sensitivity of long-period gratings at level of tens of μm per refractive index unit: fiber cladding etching and nano-coating deposition // Opt. Express. 2016. V. 24. № 11. P. 11897–11904.
10. Jaw-Luen Tang, Jien-Neng Wang. Chemical sensing sensitivity of long-period grating sensor enhanced by colloidal gold nanoparticles // Sensors. 2008. V. 8. № 1. P. 171–184.
11. Coradin F.K., Possetti G.R.C., Kamikawachi R.C., Muller M., Fabris J.L. Etched fiber bragg gratings sensors for waterethanol mixtures: a comparative study // J. Microw. Optoelectron. Electromagn. Appl. 2010. V. 9. № 2. P. 131–143.
12. Yang Ran, Long Jin, Li-Peng Sun, Jie Li, Bai-Ou Guan. Temperature compensated refractive-index sensing using a single Bragg grating in an abrupt fiber taper // IEEE Photonics J. 2013. V. 5. № 2. P. 7100208.

13. Tsigaridas G., Polyzos D., Loannou A., Fakis M., Persephonis P. Theoretical and experimental study of refractive index sensors based on etched fiber Bragg gratings // SENSOR ACTUAT A-PHYS. 2014. V. 209. № 9. P. 9–15.
14. Wu Q., Semenova Y., Yan B., Ma Y., Wang P., Yu C., Farrell G. Fiber refractometer based on a fiber Bragg grating and single-mode-multimode-single-mode fiber structure // Opt. Lett. 2011. V. 36. № 12. P. 2197–2199.
15. Zhou K., Yan Z., Zhang L., Bennion I. Refractometer based on fiber Bragg grating Fabry–Perot cavity embedded with a narrow microchannel // Opt. Express. 2011. V. 19. № 12. P. 11769–11779.
16. De-Wen Duan, Yun-Jiang Rao, Lai-Cai Xu, Tao Zhu, Di Wu, Jun Yao. In-fiber Mach–Zehnder interferometer formed by large lateral offset fusion splicing for gases refractive index measurement with high sensitivity // SENSOR ACTUAT B-CHEM. 2011. V. 160. № 1. P. 1198–1202.
17. Lu P., Men L., Sooley K., Chen Q. Tapered fiber Mach–Zehnder interferometer for simultaneous measurement of refractive index and temperature // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94. № 13. P. 131110–131110-3.
18. Xiao-Yan Sun, Dong-Kai Chu, Xin-Ran Dong, Chu-Zhou, Hai-Tao Li, Luo-Zhi, You-Wang Hu, Jian-Ying Zhou, Cong-Wang, Ji-An Duan. Highly sensitive refractive index fiber inline Mach–Zehnder interferometer fabricated by femtosecond laser micromachining and chemical etching // Optics & Laser Technology. 2016. V. 77. № 11. P. 11–15.
19. Wang J.N., Tang J.L. Photonic crystal fiber Mach–Zehnder interferometer for refractive index sensing // Sensors. 2012. V. 12. № 3. P. 2983–2995.
20. Wang P., Semenova Y., Wu Q., Farrell G., Ti Y., Zheng J. Macrobending single-mode fiber-based refractometer // Appl. Opt. 2009. V. 48. № 31. P. 6044-9.
21. Mishra S.K., Varshney C., Gupta B.D. Sensitivity enhancement of a surface plasmon resonance based fiber optic refractive index sensor utilizing an additional layer of zinc oxides // SENSOR ACTUAT A-PHYS. 2013. V. 193. № 5. P. 136–140.
22. Zynio S.A., Samoylov A.V., Surovtseva E.R, Mirsky V.M., Shirshov Y.M. Bimetallic layers increase sensitivity of affinity sensors based on surface plasmon resonance // Sensors. 2002. V. 2. № 2. P. 62–70.
23. Jieyuan Tang, Junjie Zhou, Junwen Guan, Shun Long, Jianhui Yu, Heyuan Guan, Huihui Lu, Yunhan Luo, Jun Zhang, Zhe Chen. Fabrication of side-polished single mode-multimode-single mode fiber and its characteristics of refractive index sensing // IEEE J. Sel. Top. Quan. 2016. V. 23. № 2. P. 5600708.
24. Alvare-Herrero A., Guerrero H., Levy D. High-sensitivity s ensor of low relative humidity based on overlay on sidepolished fiber // IEEE Sens. J. 2004. V. 4. № 1. P. 52–56.
25. Yan Lu, Wang Guan-jun, An Yong-Quan, Wang Zhi-bin, Gui Zhi-guo. Research on transmission character of side polished fiber // Journal of Measurement Science Instrumentation. 2016. V. 7. № 2. P. 145–148.
26. Zhong Y., Li S., Tang L., Chen Z., Yu J. High-sensitivity optical sensing of temperature based on side-polished fiber with polymer nanoporous cladding // Opt. Eng. 2016. V. 55. № 10. P. 106123.
27. Yaoming Huang, Wenguo Zhu, Zhibin Li, Gguanglei Chen, Liheng Chen, Junjie Zhou, Hai Lin, Junwen Guan, Wwenxiao Fang, Xin Liu, Huazhou Dong, Jieyuan Tang, Heyuan Guan, Huihui Lu, Yi Xiao, Jun Zhang, Hongcheng Wang, Zhe Chen, Jianhui Yu. High-performance fiber-optic humidity sensor based on a side-polished fiber wavelength selectively coupled with grapheme oxide film // Sensor. Actuat. B-Chem. 2018. V. S0925-4005. № 17. P. 31464-8.
28. Xiaoli He, Zhe Chen, Jianhui Yu, Yingxin Zeng, Yunhan Luo, Jun Zhang, Jieyuan Tang, Huihui Lu. Numerical analysis of optical propagation characteristics of side-polished photonics crystal fiber // OQE. 2014. V. 46. № 10. P. 1261–1268.
29. Müller-Kirsten H.J. Introduction to quantum mechanics: Schrödinger Equation and path integral. Singapore: World Scientific, 2012. 325 p.
30. Winitzki S. Cosmological particle production and the precision of the WKB approximation // PhRvD. 2007. V. 72. № 10. P. 10411.