Моделирование и проектирование волоконной сенсорной системы для обнаружения ионов металлов на основе оптического волокна с боковой полировкой и волоконной решетки с покрытием

Guo J., Zhou Yan Fang, Liu Yu, Wang Chang Le, Zheng Wen Yue, Jiang Jin Lu, Ji Han Ying, Chen Xiao Yu, Li Renpu

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Guo J.Q., Zhou Yа.F., Liu Yu, Wang C.L., Zhen W.Yu., Jiang J.L., Ji H.Y., Chen X.Yu, Li R.P. Design and simulation of a fiber sensing system for metal ion detection based on side-polished fiber and coated fiber grating (Моделирование и проектирование волоконной сенсорной системы для обнаружения ионов металлов на основе оптического волокна с боковой полировкой и волоконной решетки с покрытием) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 9. С. 82–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-82-90

Guo J.Q., Zhou Yа.F., Liu Yu, Wang C.L., Zhen W.Yu., Jiang J.L., Ji H.Y., Chen X.Yu, Li R.P. Design and simulation of a fiber sensing system for metal ion detection based on side-polished fiber and coated fiber grating [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 9. P. 82–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-82-90

Ссылка на англоязычную версию:

JunQi Guo, YanFang Zhou, Yu Liu, ChangLe Wang, WenYue Zheng, JinLu Jiang, HanYing Ji, XiaoYu Chen, and RenPu Li, "Design and simulation of a fiber sensing system for metal ion detection based on side-polished fiber and a coated fiber grating," Journal of Optical Technology. 90(9), 539-544 (2023) https://doi.org/10.1364/JOT.90.000539

Аннотация:

Предмет исследования. Устройство для обнаружения и измерения концентрации ионов тяжелых металлов в жидкости при контроле качества воды, состоящее из структуры, взаимодействующей с жидкостью в виде волокна с боковой полировкой, и длиннопериодной волоконной решетки, покрытой хелатированной металлической пленкой. Цель работы. Разработка волоконно-оптической жидкостной системы для одновременного качественного и количественного анализа ионов металлов в растворе. Метод. Компьютерное моделирование зависимости показателя преломления воды при наличии загрязнения от концентрации ионов и вида металла с последующим макетированием сенсора. Основные результаты. Установлено смещение длины волны интерференции, возникающей в волоконных элементах сенсора в длинноволновую область спектра при увеличении концентрации примесей в воде. При этом расчетная чувствительность сенсора к изменению показателя преломления контролируемой среды составляет 3343,33 нм/RIU¹, что позволяет измерять концентрацию примеси. Доказана возможность идентификации вида ионов примеси по уменьшению потерь излучения, достигающему в общей сложности 6,011 дБ при изменении показателя преломления пленочного покрытия длиннопериодной волоконной решетки сенсора в интервале от 1,2 до 1,44. Практическая значимость. Доказана возможность реализации высокоточного волоконного сенсора для оперативного контроля загрязнения воды ионами тяжелых металлов в реальном времени.

Ключевые слова:

оптико-жидкостная система, оптоволоконный сенсор, микроструктурированное оптическое волокно, обнаружение ионов металла

Благодарность:

в финансировании проведения работы участвовали Национальный фонд естественных наук Китая (61705027, 62005033 и 52175531), Проект фундаментальных исследований Чунцинской комиссии по науке и технологиям (CSTC-2020jcyj-msxm0603), Программа научно-технических исследований Муниципальной комиссии по образованию Чунцина (KJQN202000609)

Коды OCIS: 060.2370

Список источников:

1. Zhou K., Liu Z., Cong M., et al. Detection of chemical oxygen demand in water based on UV absorption spectroscopy and pso-lssvm algorithm // J. Optoelectron. Lett. 2022. V. 18. № 4. P. 0251–2056. https://doi.org/10.1007/s11801-022-1143-5

2. Lu Y., Liang X., Niyungeko C., et al. A review of the identification and detection of heavy metal ions in the environment by voltammetry // Talanta. 2018. V. 178. P. 324–338. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2017.08.033

3. Sun C., Ou X., Cheng Y., et al. Coordination-induced structural changes of DNA-based optical and electrochemical sensors for metal ions detection // Dalton Trans. 2019. V. 48. № 18. P. 5879–5891. https://doi.org/10.1039/C8DT04733B

4. Si Y., Lao J., Zhang X., et al. Electrochemical plasmonic fiber-optic sensors for ultra-sensitive heavy metal detection // J. Lightw. Technol. 2019. V. 37. № 14. P. 3495–3502. http://doi.org/10.1109/JLT.2019.2917329

5. Shakya A.K., Singh S. State of the art in fiber optics sensors for heavy metals detection // J. Opt. and Laser Technol. 2022. V. 153. P. 1879–2545. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108246

6. Pan J.H., Cao C., Zhang A., et al. A high sensitivity localized surface plasmon resonance sensor based on D-shaped photonic crystal fiber for low refractive index detection // J. Optoelectron. Lett. 2022. V. 18. № 7. P. 425–429. https://doi.org/10.1007/s11801-022-1193-8

7. Zain H.A., Batumalay M., Rahim H.R.A., et al. Single-walled carbon nanotubes coated D-shaped fiber for aqueous ethanol detection // J. Optoelectron. Lett. 2022. V. 18. № 7. P. 430–433. https://doi.org/10.1007/s11801-022-1166-y

8. Bashan G., London Y., Diamandi H.H., et al. Distributed cladding mode fiber-optic sensor // Optica. 2020. V. 7. № 1. P. 85–92. https://doi.org/10.1364/OPTICA.377610

9. Blakley S., Liu X., Fedotov I., et al. Fiber-optic quantum thermometry with germanium-vacancy centers in diamond // ACS Photonics. 2019. V. 6. № 7. P. 1690–1693. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.9b00206

10. Cai S., Pan H., González-Vila Á., et al. Selective detection of cadmium ions using plasmonic optical fiber gratings functionalized with bacteria // Opt. Exp. 2020. V. 28. № 13. P. 19740–19749. https://doi.org/10.1364/OE.397505

11. Kavitha B.S., Sridevi S., Makam P., et al. Highly sensitive and rapid detection of mercury in water using functionalized etched fiber Bragg grating sensors // Sensors and Actuators B: Chem. 2021. V. 333. P. 129550. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.129550

12. Li G., Liu Z., Feng J., et al. Pb²⁺ fiber optic sensor based on smart hydrogel coated Mach–Zehnder interferometer // Opt. & Laser Technol. 2022. V. 145. P. 107453. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107453

13. He J., Bell B.A., Casas-Bedoya A., et al. Ultracompact quantum splitter of degenerate photon pairs // Optica. 2015. V. 2. № 9. P. 779–782. https://doi.org/10.1364/OPTICA.2.000779

14. Zhang D., Zhang Z., Wei H., et al. Direct laser writing spiral Sagnac waveguide for ultrahigh magnetic field sensing // Photon. Res. 2021. V. 9. № 10. P. 1984–1991. https://doi.org/10.1364/PRJ.433854

15. Zhang Z., He J., Du B., et al. Miniature optical correlator in a single-nanowire Sagnac loop // ACS Photonics. 2020. V. 7. № 11. P. 3264–3269. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01417