33. Ефект зникаючого поля в оптичному волокні. Сенсори на оптичному волокні. Оптод.

Рис. 6.16. Схематична структура оптичного волокна та можливі шляхи проходження променя

Добре відомо, якщо промінь світла падає на межу поділу двох середовищ з показниками заломлення n, n', то спостерігається ефект заломлення світла, тобто відхилення його від прямолінійного поширення. Згідно із законом Снеліуса, співвідношення між кутом падіння θ_a і кутом заломлення (рефракції) θ_r записується як: (6.21). Якщо промінь світла поширюється з оптично більш густого середовища з показником заломлення n в оптично менш густе середовище з показником заломлення n'(n' < n), то кут θ_r > θ_a . При максимальному значенні кута заломлення θ_r =90⁰ спостерігається ковзання променя, що пройшов у друге середовище, уздовж поверхні на межі поділу. Цьому куту заломлення відповідає значення кута падіння θ_a = θ_c , яке можна отримати, якщо в рівняння (6.21) підставити θ_r =90⁰: (6.22). Кут θ_c називають критичним кутом для повного внутрішнього відбивання, оскільки при будь-яких кутах падіння, більших за критичний, спостерігається повне внутрішнє відбивання. Тобто нема передачі енергії хвилі в оптично менш густе середовище, і світло повністю відбивається на межі поділу цих середовищ. Уперше це явище спостерігав ще в 1611 р. І. Кеплер. Явище повного внутрішнього відбивання використовується в оптичному волокні – циліндричному діелектричному хвилеводі. Серцевина оптичного волокна, в якому поширюється ІЧ або видиме світло, має трохи вищий показник заломлення, ніж оболонка (рис. 6.16). Для того, щоб світло поширювалося в серцевині, туди його треба завести за допомогою оптичної системи. Причому залежно від кута, під яким світловий промінь потрапляє в серцевину волокна, можливе поширення променя або по серцевині за рахунок повного внутрішнього відбивання, або часткове проходження променя в оболонку, що веде до затухання світла у волокні. Просторовий кут входу променя у волокно θ_a визначає перехід між цими двома умовами поширення променя: (6.23), де (6.24). NA – це чисельна апертура оптичного волокна, яка показує, що світло буде поширюватись у волокні за рахунок повного внутрішнього відбивання, n₁,n₂ – відповідно, показники заломлення серцевини та оболонки.

У випадку поширення променів у серцевині при повному внутрішньому відбиванні поле електромагнітної хвилі в оболонці спадає до нуля не різко. Насправді електромагнітне поле затухає в оболонці до напрямку межі поділу за експоненціальним законом від координати. Тому електромагнітне поле в оболонці дістало назву зникаючого поля (в англомовній літературі – evanescent field). Глибина проникнення цього поля в оболонку d_p описується таким виразом: (6.25), де λ – довжина електромагнітної хвилі, θ₁ –кут, під яким промені світла падають на межу поділу серцевина – оболонка. Сенсори на оптичному волокні базуються на використанні саме зникаючого поля в оболонці, і тому вони дістали назву evanescent field sensors. Зникаюче поле в ділянці оболонки безпосередньо взаємодіє з аналітом. Це веде до додаткового поглинання або флюоресценції, тобто модуляції інтенсивності світла, що поширюється в оптичному волокні.

Рис. 6.17. Блок-схема оптичного хвилеводного сенсора

Рис. 6.18. Дизайн оптичного сенсора на основі використання ефекту зникаючого поля в оболонці оптоволокна	Рис. 6.19. Схема оптода

Загальну блок-схему оптичного сенсора представлено на рис. 6.17. Він складається з оптичного джерела (лазер, лазерний діод, світлодіод LED), оптичного волокна, сенсорного шару або трансдьюсера (який переводить вимірювану величину в оптичний сигнал), оптичного детектора (фотодіода) та мікропроцесорної техніки (персональний комп'ютер). Вибір джерела світла залежить від спектрального діапазону, в якому трансдьюсер має максимальну чутливість. Наприклад, якщо використовувати як трансдьюсер полімерну плівку, то для поліанілінового сенсора на аміак максимальне поглинання спостерігається при λ = 633 нм, тому можна використовувати червоне випромінювання He-Ne лазера (632,8 нм). Сенсорний шар чи трансдьюсер створюють на невеличкій ділянці оп-тичного волокна шляхом заміни (часткової чи повної) оболонки (рис. 6.18). Взаємодія адсорбату з адсорбентом (тобто сенсорним шаром) змінює показник заломлення цієї ділянки оболонки, оскільки в цій області оболонки показник заломлення буде комплексним: (6.26), де k – коефіцієнт екстинції. Відповідно до формули (6.25), це веде до зміни глибини проникнення електромагнітного поля в оболонку на цій ділянці та зміни пропускання всього оптичного волокна. У загальному випадку сенсори можуть вимірювати чотири параметри в зміні оптичного пропускання: інтенсивність, фазу, довжину хвилі та поляризацію.

Рис. 6.20. Зміна інтенсивності флюоресценції оптоволоконного оптода з часом при експозиції в атмосфері О2 (а) і залежність сигналу пропускання при 590 нм для рН сенсора на основі ефекту зникаючого поля в оболонці оптоволокна (б)

На рис. 6.19 представлено схематичний вигляд іншого поширеного типу оптичного сенсора – волоконного оптода. Він складається з двох відрізків: "волокна – джерела" та "волокна – приймача", які з'єднані з відрізком третього оптичного волокна. На кінці цього третього волокна наноситься покриття з чутливим матеріалом – сенсорним шаром. Адсорбат взаємодіє з сенсорним шаром, змінюючи один з параметрів – коефіцієнт поглинання, розсіяння, показник заломлення, поляризацію чи інтенсивність люмінесценції.

Якщо використовувати як сенсорний шар флюоресцентний барвник (наприклад, комплекси перехідних металів) або фосфоресцентний барвник типу порфірину платини то за присутності атмосфери молекулярного кисню спостерігається ефект затухання інтенсивності люмінесценції барвника або зміна часу затухання фосфоресценції люмінофору. Зміну інтенсивності флюоресценції волоконного оптода з часом при експозиції в атмосфері кисню показано на рис. 6.20, а. Джерелом випромінювання є блакитний LED з

λ = 450 нм, а сенсорний шар формують з комплексу рутенію; інтенсивність флюоресценції при збудженні блакитним світлом затухає в кисневій атмосфері. Відносне зменшення інтенсивності флюоресценції використовується як сенсорний сигнал концентрації кисню в атмосфері. Результати вимірювань для рН сенсора на основі ефекту зникаючого поля показано на рис. 6.20, б. Тут використовуються інший сенсорний шар – бромфенол, а джерелом освітлення є LED з λ = 590 нм. Збільшення поглинання (тобто втрат в оптоволокні) спостерігається при більших значення рН розчину. Такий сенсор може вимірювати рН в області значень 3–8. Оптичні сенсори можуть бути зворотними й незворотними. Сенсор є зворотним, якщо речовина у чутливому шарі не руйнується при взаємодії з адсорбатом. У цілому, оптичні сенсори, як і інші оптоелектронні прилади, мають переваги щодо чутливості та завадозахищеності (оптичні промені не створюють паразитних електричних полів), тому існує можливість створення мультисенсорних структур.