FBPI廣譜光纖性能測試及應用

各種光譜應用都需要能夠在廣譜光譜上傳播光的高性能光纖。在波長(cháng)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(cháng)。這在光譜應用中是特別 有利的，因為它擴大了測量范圍和設備靈敏度。在許多情況下，它允許光譜儀遠程放置，并通過(guò)廣譜光纖連接到分析區域。其結果是可以收集和分析更大波長(cháng)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)和生物醫學(xué)應用可受益于能夠在非常廣的光譜范圍內測量光信號。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(xiàn)(UV)波長(cháng)下，高-OH成分的光纖表現更好；然而，在近紅外(Near Infrared, NIR)波長(cháng)內，尤其是在980、1250和1383 nm上，-OH成分會(huì )形成非常大的吸收區域。相反，在光譜的NIR區域，低-OH成分的光纖會(huì )表現良好，但UV性能卻趨向差。雖然兩種類(lèi)型的傳統光纖在大 多數可見(jiàn)光譜內傳輸良好，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(zhuān)有工藝，有效地結合了標準光纖的優(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)和鎢鹵素燈(Tungsten- halogen)進(jìn)行的廣泛的光譜性能測試結果一直是極好的。在超過(guò)2100 nm的NIR波長(cháng)區域，新FBPI光纖的衰減相當于具有低-OH硅芯和F-摻雜(F-doped)覆層的標準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，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(zhù)降低，這樣它的日曬脆化性可以與標準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)不同的波段內進(jìn)行了嚴格測試：1) UV (200-400 nm)；2) 可見(jiàn)光(Visible) (400-900 nm)；和3) NIR (900-2100 nm)。每種測試使用了Ocean Optics公司專(zhuān)為特定波長(cháng)范圍設計的光纖光譜儀。因為在不同波長(cháng)范圍上具有不同的衰減，所以使用不同的光纖長(cháng)度以獲得最佳測試靈敏度。具體來(lái)說(shuō)，15 m長(cháng)的用于UV范圍測試，而大約200 m長(cháng)的則用于可見(jiàn)光和NIR測試。用于UV測試的光源為氘燈，而可見(jiàn)光和NIR測試的光源則為鎢鹵素燈(Tungsten-halogen)。

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

圖1：FBPI光纖光譜衰減測試設置

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的標準FIP光纖

● 高-OH：FVP(用于UV/可見(jiàn)光的標準高-OH光纖)、UVM(UV優(yōu)化的高-OH預制品)、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：現有的廣譜光纖，沒(méi)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(cháng)期暴露在UV輻射(俗稱(chēng)日曬) 下所誘發(fā)的損傷會(huì )導致傳輸損耗。大多數衰減發(fā)生在小于250 nm的波長(cháng)內，而峰值損傷發(fā)生在214 nm上，損傷的程度根據光纖的類(lèi)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(chēng)為“四小時(shí)UV照射測試”來(lái)評測，此測試使用2m段光纖。光從高強度氘燈發(fā)射到光纖內，并使用聚焦透鏡來(lái)使214 nm上(通常對UV日曬最為敏感的波長(cháng))的強度最大化，使用Ocean Optics的UV光譜儀來(lái)監控測試樣品的輸出，并收集四個(gè)小時(shí)的數據。

在 整個(gè)測試過(guò)程中跟蹤六個(gè)重要的波長(cháng)(214、229、245、255、266和330 nm)，同時(shí)也測量整個(gè)光譜，并在測試的開(kāi)始和結束時(shí)進(jìn)行比較。隨著(zhù)測試的進(jìn)行，每個(gè)波長(cháng)的性能下降速率在減小，在理想情況下，在四小時(shí)測試結束前達到飽 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與光強度無(wú)關(guān)，增加強度往往僅改變達到飽和的速度。

圖3：四小時(shí)UV照射測試設置

四小時(shí)UV照射測試的結果如下圖4所示。此圖也顯示了通常在UV區域中使用的其它光纖的數據，以方便比較。標準高-OH FVP光纖，通常在可見(jiàn)光/UV應用中使用，如圖5所示。從特殊預制品中提取專(zhuān)為UV性能優(yōu)化的UVM光纖的數據，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光纖的數據，如圖7所示。

圖4：新FBPI光纖的四小時(shí)UV照射測試

圖5：標準高-OH FVP光纖的四小時(shí)UV照射測試

圖6：針對UV優(yōu)化的UVM光纖的四小時(shí)UV照射測試

圖7：深度UV FDP光纖的四小時(shí)UV照射測試

測試結果評測表明，新的寬波段FBPI光纖顯著(zhù)改進(jìn)了日曬性能，超過(guò)了標準高-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(cháng)上進(jìn)行傳感的應用。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，已在構建使用FBPI光纖的原型產(chǎn)品：長(cháng)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。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)分析的現有和新興應用中的發(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，FBPI光纖有可能在一系列應用中取代傳統光纖，而這些應用包括高性能寬波段光譜應用、先進(jìn)成像、光纖測試、 環(huán)境監測、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