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(zhǎng)范圍上，具有廣譜光譜的光纖能夠相對(duì)均勻地傳輸大范圍的波長(zhǎng)。這在光譜應(yīng)用中是特別有利的，因?yàn)樗鼣U(kuò)大了測(cè)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(guò)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(zhǎng)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(cè)量光信號(hào)。然而，光纖過(guò)去一直受到其傳輸光譜范圍的限制。在紫外線(UV)波長(zhǎng)下，高-OH成分的光纖表現(xiàn)更好;然而，在近紅外(Near Infrared, NIR)波長(zhǎng)內(nèi)，尤其是在980、1250和1383 nm上，-OH成分會(huì)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(huì)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(jiàn)光譜內(nèi)傳輸良好，但它們?cè)诠庾V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(diǎn)，并減少了缺點(diǎn)。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(cè)試結(jié)果一直是極好的。在超過(guò)2100 nm的NIR波長(zhǎng)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(gè)重要特性是抗日曬損傷等級(jí)，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(gè)不同的波段內(nèi)進(jìn)行了嚴(yán)格測(cè)試：1) UV (200-400 nm);2) 可見(jiàn)光(Visible) (400-900 nm);和3) NIR (900-2100 nm)。每種測(cè)試使用了Ocean Optics公司專為特定波長(zhǎng)范圍設(shè)計(jì)的光纖光譜儀。因?yàn)樵诓煌�波長(zhǎng)范圍上具有不同的衰減，所以使用不同的光纖長(zhǎng)度以獲得最佳測(cè)試靈敏度。具體來(lái)說(shuō)，15 m長(zhǎng)的用于UV范圍測(cè)試，而大約200 m長(zhǎng)的則用于可見(jiàn)光和NIR測(cè)試。用于UV測(cè)試的光源為氘燈，而可見(jiàn)光和NIR測(cè)試的光源則為鎢鹵素?zé)?Tungsten-halogen)。

圖1使用了回截方法(cutback method)來(lái)測(cè)試衰減。光被發(fā)射通過(guò)測(cè)試樣品的整個(gè)長(zhǎng)度，然后光譜儀記錄接收到的光譜。隨后，樣品被剪短到2m長(zhǎng)，而光譜儀也記錄該光譜。比較兩個(gè)波長(zhǎng)的光譜，計(jì)算衰減作為波長(zhǎng)的函數(shù)。

 

 

圖1：FBPI光纖光譜衰減測(cè)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(jiàn)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(méi)有針對(duì)NIR衰減或UV日曬抗性而優(yōu)化

●FBPI：新的廣譜光纖，已針對(duì)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(zhǎng)期暴露在UV輻射 (俗稱日曬) 下所誘發(fā)的損傷會(huì)導(dǎo)致傳輸損耗。大多數(shù)衰減發(fā)生在小于250 nm的波長(zhǎng)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(shí)UV照射測(cè)試”來(lái)評(píng)測(cè)，此測(cè)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(lái)使214 nm上(通常對(duì)UV日曬最為敏感的波長(zhǎng))的強(qiáng)度最大化，使用Ocean Optics的UV光譜儀來(lái)監(jiān)控測(cè)試樣品的輸出，并收集四個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)。

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中跟蹤六個(gè)重要的波長(zhǎng)(214、229、245、255、266和330 nm)，同時(shí)也測(cè)量整個(gè)光譜，并在測(cè)試的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)進(jìn)行比較。隨著測(cè)試的進(jìn)行，每個(gè)波長(zhǎng)的性能下降速率在減小，在理想情況下，在四小時(shí)測(cè)試結(jié)束前達(dá)到飽和點(diǎn)。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(wú)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(shí)UV照射測(cè)試設(shè)置

四小時(shí)UV照射測(cè)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(jiàn)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(shí)UV照射測(cè)試

 

 

圖5：標(biāo)準(zhǔn)高-OH FVP光纖的四小時(shí)UV照射測(cè)試

 

 

圖6：針對(duì)UV優(yōu)化的UVM光纖的四小時(shí)UV照射測(cè)試

 

 

圖7：深度UV FDP光纖的四小時(shí)UV照射測(cè)試

測(cè)試結(jié)果評(píng)測(cè)表明，新的寬波段FBPI光纖顯著改進(jìn)了日曬性能，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)高-OH FVP光纖，同時(shí)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(zhǎng)上進(jìn)行傳感的應(yīng)用。目前有兩家公司正與Polymicro Technologies合作開(kāi)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(zhǎng)壽命寬波段光源和光纖耦合輸出，用于更簡(jiǎn)單的光纖系統(tǒng)。這些緊湊型光源旨在消除同時(shí)使用多個(gè)燈 (D2/鎢/氙弧光) 的需求，并在整個(gè)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(dòng)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(kāi)發(fā)了全光譜讀取儀來(lái)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(cè)試、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣相測(cè)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