古天乐澳门太阳集团城app 低成本、超灵敏光纤折射率传感器的开发
- 从日常用品到尖端科学，光学技术对于现代社会来说是不可或缺的。田上副教授是应用光学工程专家，一直致力于研究和开发利用光的特性及其与材料相互作用的光学测量技术，旨在将其应用于工业、生物和医学等多个领域。其中之一是开发一种传感器，该传感器使用光纤根据溶液折射率的变化来测量溶液浓度。 “利用光纤内发生的光干涉可以实现超灵敏的测量。”田上副教授和他的同事们通过使用光纤传感器，成功地实现了传统技术存在的高灵敏度问题，该结构非常简单，该光纤传感器采用“多模干涉结构”，只需熔接市售的通信光纤即可进行折射率测量。
利用“多模干涉结构”以简单的结构实现高灵敏度
盐水溶液等水溶液的浓度控制技术在工业、医药、食品等许多领域中至关重要，并且对所使用的传感器要求高精度。大多数这些测量都使用电导率计，但电极必须浸入溶液中，这会带来电极成分洗脱和电极腐蚀等问题。虽然人们希望开发一种无需使用电极就能高精度测量溶液浓度的方法，但引人注目的是根据使用光测量的溶液的折射率来测量浓度的方法。采用这种方法的传感器已经投入实际使用，但高灵敏度需要精密的光学系统，这会带来传感器尺寸增大和成本高昂等问题。为此，田上副教授和他的同事开发了一种使用具有优异耐腐蚀性的光纤的新型传感器，并一直在进行研究以提高其灵敏度。
田上副教授谈到所开发的传感器时说：“关键是要充分利用光纤中发生的干涉，而不使用复杂的光学系统。”这里使用的是具有“多模干涉结构”的光纤传感器。单模光纤（SMF）的纤芯直径较小，只能传输一种古天乐澳门太阳集团城app模式，而多模光纤（MMF）的纤芯直径较粗，可以传输多种古天乐澳门太阳集团城app模式的混合。因此，在MMF内，多种模式在相互干扰的同时进行，并且光在某一点结合，导致出现与输入光波相同的图像。在该光耦合点获得的大干涉信号是高灵敏度的关键。
那么，我们如何测量外部溶液折射率的变化呢？光纤具有两层结构，由中心纤芯和围绕它的包层组成。当光在发生全内反射的同时穿过纤芯时，光成分会稍微从界面渗出。这称为倏逝光。倏逝光可以将界面附近溶液引起的吸收、散射等信息携带到反射光上，当外界溶液发生变化时，倏逝光的渗流长度也会发生变化。因此，使用光纤的折射率传感器利用了溶液与倏逝光之间的相互作用。然而，为了利用倏逝光，主流的方法是去除靠近纤芯的包层，这种方法加工困难，尚未广泛投入实际应用。
田上副教授和他的同事设计了一种“SMS结构”，其中没有包层的MMF的两端被夹在SMF之间，作为一种允许使用倏逝光与外部物质相互作用的结构。我们构建了一个“光学干涉仪”，它可以同轴地利用MMF外部的倏逝光和内部的模式色散。
光学技术有着广泛的应用。我想追求这种可能性
使用该传感器的实验揭示了将其应用于乙醇溶液和氯化钠水溶液中浓度测量的可能性。他们还展示了通过修改所使用的光纤类型实现世界最高水平的测量灵敏度（10-6 量级）的可能性。 “用一根光纤进行极其灵敏的折射率测量可能成为可能，”他表达了自己的希望。
使用商用光纤进行通信具有许多优点，包括显着降低制造成本、使用超薄形状安装在微通道中以及远程监控。另一方面，在实际测量中，输出会根据所使用的设备、环境噪声、溶液流量和温度而波动，因此构建一个足够强大以应对微小环境变化的传感器系统仍然是一个问题。为了解决这个问题，他正在努力整合多年来获得的技术和专业知识，包括设计光纤通道和加工玻璃管。
在工业应用方面，我们不仅将其应用于饮料、调味料等食品的液体制造过程，还考虑在生物领域的应用，例如检测血液和体液中的蛋白质（抗原）。通过将抗体和抗原等蛋白质固定在基材表面，利用生物分子的特异性反应的传感系统被称为能够进行选择性和高灵敏度检测的传感系统。在这方面，我们正在与其他大学合作开始研究，旨在通过将传感器与称为光学频率梳的特殊光源相结合，实现选择性检测待测分子的超高灵敏度。其他应用包括监测人工透析和电泳中使用的透析液浓度，这是一种分离和分析 DNA 和蛋白质等生物分子的方法。这种广泛的应用可以说是光学技术的巨大潜力。
“传感器已经快完成了，我想剩下的就是如何应用它了。光的应用范围很广，需求可能隐藏在意想不到的地方。我想专注于发现这种隐藏的需求。”
古天乐澳门太阳集团城app日期：2021 年 8 月