XK星空 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，光学技术是现代社会不可或缺的。 TAUE副教授Shuji TAUE是应用光学工程专家，一直致力于利用光的特性及其与物质相互作用的光学测量技术的研究和开发，旨在应用于工业、生物技术和医学等多个领域。其中一项发展是一种传感器，它使用光纤根据溶液折射率的变化来测量溶液浓度。 “通过利用光纤内发生的光干涉，超灵敏测量成为可能，”他解释道。 Taue 副教授和他的团队通过极其简单的结构成功实现了传统技术所面临的高灵敏度问题。这是通过利用采用“多模干涉结构”的光纤传感器来完成的，该结构可以通过熔合市售电信光纤来简单地测量折射率。
利用多模干涉结构，通过简单的结构实现高灵敏度
包括盐水溶液在内的水溶液浓缩技术对于工业、医药和食品等许多领域至关重要，并且所使用的传感器需要具有高精度。几乎所有此类测量都采用电导率计，但这些测量需要将电极浸入溶液中，从而导致电极成分洗脱和腐蚀电极等问题。人们对开发能够在不使用电极的情况下高精度测量溶液浓度的方法寄予厚望，并且人们的注意力已经转向基于使用光测量的溶液的折射率的测量。采用这种方法的传感器已经集中投入实用化，但要实现高灵敏度需要精密的光学系统，从而导致传感器尺寸较大、成本较高等问题。为了解决这个问题，Taue 副教授和他的团队开发了一种使用具有优异耐腐蚀性的光纤的新型传感器，并且他们一直在推进研究以使其具有高灵敏度。
Taue 副教授解释了所开发的传感器：“关键是巧妙地利用光纤内发生的干涉，而不使用复杂的光学系统。”在这里，他采用了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，仅传输一种空间模式，而多模光纤 (MMF) 的纤芯直径较大，可以传输混合在一起的多种空间模式。因此，在多模光纤中，多种模式在相互干扰的同时前进，并且在某些位置光耦合，产生与输入光波相同的图像。在这个光耦合点获得的大干涉信号是实现高灵敏度的关键。
那么如何测量外部溶液的折射率变化呢？光纤具有由中心的纤芯和周围的包层组成的两层结构，当光在纤芯内通过全反射前进时，会产生从边界面略微泄漏的光成分。这称为倏逝光。倏逝光使得反射光上可以携带边界面附近溶液引起的吸收、散射等因素的信息，并且当外部溶液发生变化时，倏逝光的泄漏深度也会发生变化。因此，采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，利用倏逝光的主流方法是将包层去除到接近纤芯的位置，并且由于这种处理很困难，因此尚未实现广泛的实际应用。
Taue 副教授和他的团队设计了一种“SMS 结构”，将无包层的 MMF 夹在两端的 SMF 之间，作为一种能够通过倏逝光与外部物质相互作用的结构。他们构建了一种“光学干涉仪”，可以同轴利用 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。 Taue 教授想要追求这些可能性
通过使用这种传感器的实验，Taue 副教授和他的团队揭示了应用于乙醇溶液和氯化钠水溶液浓度测量的潜力。他们还表明，通过设计所使用的光纤类型，可以实现 10⁻⁶ 量级的世界级测量灵敏度。 “仅用一根光纤就可以实现极高灵敏度的折射率测量，”他满怀期待地说。
使用商用电信光纤具有许多优点，包括：显着降低制造成本、利用超薄形状安装在微通道内以及实现远程监控。然而，在实际测量中，输出会因所用设备和环境的噪声、溶液流量和温度而波动，因此构建能够响应微小环境变化的强大传感器系统仍然是一个挑战。为了解决这个问题，Taue 副教授正在整合他迄今为止所获得的技术和专业知识，包括光纤流道设计和玻璃管加工。
对于工业应用，他自然希望将自己的方法应用于饮料和调味品等食品的液体制造工艺，但他也考虑到生物技术应用，并计划扩展到检测血液和体液中的蛋白质（抗原）等领域。将抗体和抗原等蛋白质固定在基质表面并利用生物分子所具有的特定反应的系统被称为能够进行选择性和高灵敏度检测的传感系统。与此相关，他还开始与其他大学合作研究，旨在通过将传感器与称为光学频率梳的特殊光源相结合，实现测量分子选择性检测的超高灵敏度。除此之外，应用正在扩展到多个领域，包括监测透析中使用的透析液浓度，以及在电泳中的使用，电泳是一种分离和分析 DNA 和蛋白质等生物分子的方法。这种广泛的应用说明了光学技术的巨大潜力。
“传感器已经快完成了，所以我认为现在的问题是如何将它连接到应用程序。光的应用范围很广，需求可能潜伏在意想不到的地方。我想集中精力发现这种隐藏的需求。”
发布日期：2026 年 2 月