電子技術(shù)解析-突破性廣譜光纖的光纖技術(shù)

各種光譜應(yīng)用都需要能夠在廣譜光譜上傳播光的高性能光纖。在波長范圍上，具有廣譜光譜的光纖能夠相對均勻地傳輸大范圍的波長。這在光譜應(yīng)用中是特別有利的，因為它擴(kuò)大了測量范圍和設(shè)備靈敏度。在許多情況下，它允許光譜儀遠(yuǎn)程放置，并通過廣譜光纖連接到分析區(qū)域。其結(jié)果是可以收集和分析更大波長范圍上的更多光譜信息。

在光纖傳感領(lǐng)域，有許多任務(wù)業(yè)、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用可受益于能夠在非常廣的光譜范圍內(nèi)測量光信號。然而，光纖過去一直受到其傳輸光譜范圍的限制。在紫外線(UV)波長下，高-OH成分的光纖表現(xiàn)更好;然而，在近紅外(Near Infrared, NIR)波長內(nèi)，尤其是在980、1250和1383 nm上，-OH成分會形成非常大的吸收區(qū)域。相反，在光譜的NIR區(qū)域，低-OH成分的光纖會表現(xiàn)良好，但UV性能卻趨向差。雖然兩種類型的傳統(tǒng)光纖在大多數(shù)可見光譜內(nèi)傳輸良好，但它們在光譜范圍上都受到限制。

突破性廣譜光纖的光纖技術(shù)

Molex公司子公司Polymicro Technologies已成功地生產(chǎn)出一種廣譜光纖(broad spectrum optical fiber, FBPI)，具有低-OH純二氧化硅纖芯(pure silica core)，UV缺陷成分和其它UV吸收中心明顯降低。Polymicro FBPI光纖采用專有工藝，有效地結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)光纖的優(yōu)點，并減少了缺點。在非常廣的光譜范圍上展現(xiàn)了改進(jìn)的傳輸性能，硅基 (silica-based)、寬波段FBPI光纖的生產(chǎn)芯徑范圍為50-600 μm。

使用不同光源包括氘燈(Deuterium)和鎢鹵素?zé)?Tungsten-halogen)進(jìn)行的廣泛的光譜性能測試結(jié)果一直是極好的。在超過2100 nm的NIR波長區(qū)域，新FBPI光纖的衰減相當(dāng)于具有低-OH硅芯和F-摻雜(F-doped)覆層的標(biāo)準(zhǔn)NIR光纖。

突破性FBPI光纖的另一個重要特性是抗日曬損傷等級，而這些損傷是由暴露在高度的UV照射下引起的。FBPI光纖具有低至200 nm的優(yōu)秀UV傳輸性能，而UV缺陷密度已顯著降低，這樣它的日曬脆化性可以與標(biāo)準(zhǔn)UV優(yōu)化的高耐輻射性的高-OH光纖相媲美。

FBPI光纖的光譜衰減性能

FBPI光纖的衰減性已在三個不同的波段內(nèi)進(jìn)行了嚴(yán)格測試：1) UV (200-400 nm);2) 可見光(Visible) (400-900 nm);和3) NIR (900-2100 nm)。每種測試使用了Ocean Optics公司專為特定波長范圍設(shè)計的光纖光譜儀。因為在不同波長范圍上具有不同的衰減，所以使用不同的光纖長度以獲得最佳測試靈敏度。具體來說，15 m長的用于UV范圍測試，而大約200 m長的則用于可見光和NIR測試。用于UV測試的光源為氘燈，而可見光和NIR測試的光源則為鎢鹵素?zé)?Tungsten-halogen)。

圖1使用了回截方法(cutback method)來測試衰減。光被發(fā)射通過測試樣品的整個長度，然后光譜儀記錄接收到的光譜。隨后，樣品被剪短到2m長，而光譜儀也記錄該光譜。比較兩個波長的光譜，計算衰減作為波長的函數(shù)。

 

 

圖1：FBPI光纖光譜衰減測試設(shè)置

下圖2顯示了比較FBPI與其它三種Polymicro光纖的光譜衰減性能圖：

●低-OH：用于NIR的標(biāo)準(zhǔn)FIP光纖

●高-OH：FVP(用于UV/可見光的標(biāo)準(zhǔn)高-OH光纖)、UVM(UV優(yōu)化的高-OH預(yù)制品)、UVMI(加氫UVM光纖)和FDP(深度UV優(yōu)化的光纖，具有高UV輻射抗性)

●FBP：現(xiàn)有的廣譜光纖，沒有針對NIR衰減或UV日曬抗性而優(yōu)化

●FBPI：新的廣譜光纖，已針對NIR衰減和UV日曬抗性而優(yōu)化

如圖所示，新FBPI光纖展示了UV中高- OH光纖和NIR中低-OH光纖的最佳性能

 

 

圖2：光譜衰減比較

FBPI光纖的UV抗日曬性

石英光纖易受UV誘發(fā)的衰減影響。長期暴露在UV輻射 (俗稱日曬) 下所誘發(fā)的損傷會導(dǎo)致傳輸損耗。大多數(shù)衰減發(fā)生在小于250 nm的波長內(nèi)，而峰值損傷發(fā)生在214 nm上，損傷的程度根據(jù)光纖的類型而有很大的不同。下圖3顯示了新FBPI光纖的UV照射性能與UV中使用的其它光纖的比較。

日曬抗性 (solarization resistance) 采用被稱為“四小時UV照射測試”來評測，此測試使用2m段光纖。光從高強(qiáng)度氘燈發(fā)射到光纖內(nèi)，并使用聚焦透鏡來使214 nm上(通常對UV日曬最為敏感的波長)的強(qiáng)度最大化，使用Ocean Optics的UV光譜儀來監(jiān)控測試樣品的輸出，并收集四個小時的數(shù)據(jù)。

在整個測試過程中跟蹤六個重要的波長(214、229、245、255、266和330 nm)，同時也測量整個光譜，并在測試的開始和結(jié)束時進(jìn)行比較。隨著測試的進(jìn)行，每個波長的性能下降速率在減小，在理想情況下，在四小時測試結(jié)束前達(dá)到飽和點。在UV光纖中，能夠快速飽和，而且性能下降最少的是最理想的品質(zhì)。飽和下的性能下降程度大多數(shù)與光強(qiáng)度無關(guān)，增加強(qiáng)度往往僅改變達(dá)到飽和的速度。

 

 

圖3：四小時UV照射測試設(shè)置

四小時UV照射測試的結(jié)果如下圖4所示。此圖也顯示了通常在UV區(qū)域中使用的其它光纖的數(shù)據(jù)，以方便比較。標(biāo)準(zhǔn)高-OH FVP光纖，通常在可見光/UV應(yīng)用中使用，如圖5所示。從特殊預(yù)制品中提取專為UV性能優(yōu)化的UVM光纖的數(shù)據(jù)，如圖6所示。最后，為深度UV工作而優(yōu)化具有高輻射抗性的FDP光纖的數(shù)據(jù)，如圖7所示。

 

 

圖4：新FBPI光纖的四小時UV照射測試

 

 

圖5：標(biāo)準(zhǔn)高-OH FVP光纖的四小時UV照射測試

 

 

圖6：針對UV優(yōu)化的UVM光纖的四小時UV照射測試

 

 

圖7：深度UV FDP光纖的四小時UV照射測試

測試結(jié)果評測表明，新的寬波段FBPI光纖顯著改進(jìn)了日曬性能，超過了標(biāo)準(zhǔn)高-OH FVP光纖，同時可與UV優(yōu)化的UVM光纖媲美。

FBPI光纖的潛在應(yīng)用

FBPI寬波段光纖展示了高-OH光纖的UV性能和低-OH光纖的NIR性能，能夠用于需要在大范圍波長上進(jìn)行傳感的應(yīng)用。目前有兩家公司正與Polymicro Technologies合作開發(fā)使用FBPI光纖的產(chǎn)品，已在構(gòu)建使用FBPI光纖的原型產(chǎn)品：長壽命寬波段光源和光纖耦合輸出，用于更簡單的光纖系統(tǒng)。這些緊湊型光源旨在消除同時使用多個燈 (D2/鎢/氙弧光) 的需求，并在整個UV-Vis-NIR光譜(170-2100 nm)中提供了非常高的亮度。

FBPI的全景能力，有望推動光譜儀在各種可能受益于更廣泛光譜化學(xué)分析的現(xiàn)有和新興應(yīng)用中的發(fā)展。由于已開發(fā)了全光譜讀取儀來保持與光纖技術(shù)發(fā)展同步，F(xiàn)BPI光纖有可能在一系列應(yīng)用中取代傳統(tǒng)光纖，而這些應(yīng)用包括高性能寬波段光譜應(yīng)用、先進(jìn)成像、光纖測試、環(huán)境監(jiān)測、氣相測量、精密外科手術(shù)和工業(yè)激光以及高性能氣體或液體色譜分析。

 

 

圖8：FBPI僅需一種光纖