结构光诱导的增强光纤折射率传感技术：通过激发拉盖尔高阶余弦高斯模式实现

《Optik》：Structured Light-Induced Enhancement of Fiber-Optic Refractive Index Sensing via the Excitation of Laguerre Higher-Order Cosh-Gaussian Mode

利用Laguerre高阶余弦高斯光束提升多模光纤折射率传感灵敏度。通过空间光调制器生成具有独特相位结构的LHOChGB，在未封装多模光纤中实现高阶导模选择性激发，增强蒸发场效应，灵敏度达33.72 dB/RIU，较传统Gaussian光束提升10.6倍。

　　

Bodem Indraja|Arijit Datta|Sreenivasulu Tupakula|Swagata Samanta

电子与通信工程系，SRM大学-AP，阿马拉瓦蒂522 240，安得拉邦，印度

摘要

当前在电磁波场时空调制方面的进展从根本上重塑了光束成形范式，将结构化光定位为下一代光子架构的关键推动者，并促进了纳米光学、超灵敏传感、计算成像和高带宽光通信领域的变革性发展。在这一不断发展的背景下，结构化光工程实现了对光纤平台中模式激发和传播动态的前所未有的控制。然而，尽管取得了这些进展，大多数光纤传感方案仍然依赖于传统的高斯光束照明，这种方法在优先将能量耦合到高阶导模方面的能力有限，导致衰减场的扩展减弱以及与周围介质的相互作用减弱。基于这一根本缺陷，本研究提出了一种基于波导的折射率传感系统，该系统通过发射拉盖尔高阶余弦高斯光束（LHOChGB）来实现这一目标。LHOChGB的非平凡空间结构能够在未涂层多模光纤中优先耦合高阶导模，从而增强衰减场的局域化并加强导模与外部介质的相互作用。此外，我们的研究还利用OptiBPM中的有限差分方法对LHOChGB在传感器结构内的传播动态进行了模拟验证。这种严格的分析明确展示了33.72 dB/RIU的峰值绝对灵敏度，比传统的高斯激发传感器（通常灵敏度为3.18 dB/RIU）提高了约10.6倍。因此，这种新型的结构化光场技术在光传感领域开辟了创新路径，并在多方面的物理化学和生物传感应用中展现出巨大潜力。

引言

近年来，光纤传感器（FOS）因其强大的传感能力、对电磁干扰的免疫力以及在远程和恶劣环境中的可靠运行而成为监测各种物理和化学参数的高效平台。此外，它们的紧凑设计和轻量化特性使其非常适合用于环境监测、工业自动化和生物医学领域[1]。在众多可测参数中，折射率（RI）在许多工业领域中起着关键作用，包括液体介质中的污染评估、食品加工中的质量保证、药物制剂中的精密分析以及化学或生物传感应用[2]、[3]。因此，精确的RI测量是确保当代光传感平台所需精度和灵敏度的基本前提。为了实现最大灵敏度，人们开发并评估了一系列创新和精密设计的方法。其中最有效的方法之一是利用基于表面等离子体共振（SPR）的RI传感器，这些传感器使用高折射率介电层（如硅）来提高灵敏度，从而能够精确检测化学物质、污染物和生物物质[4]。除了基于SPR的传感器外，基于强度调制的光纤聚合物RI传感器也是一种有前景的替代方案，它们通过光强度调制提供了灵活性、低成本和更高的灵敏度[5]。然而，实现更高的灵敏度和一致性仍然是一个关键挑战，这促使了一系列开创性的传感方法的出现。

迄今为止，已经探索了许多结构修改技术来提高灵敏度，包括锥形化[6]、[7]、U形弯曲光纤结构[8]、[9]、[10]、气球状光纤结构[11]、扭曲锥形化[12]、光纤布拉格光栅（FBG）[13]、[14]、D形光纤[15]、[16]、[17]、带FBG的锥形光纤[18]、S形结构[19]、[20]、蝴蝶形结构[21]、侧抛光光纤结构[22]、葫芦形多模波导[23]、基于悬浮芯光纤（SCF）的多模干涉（MMI）结构[24]等。虽然结构修改通过改变光传播来检测RI变化从而提高灵敏度，但它们往往受到制造复杂性和机械脆弱性的限制，限制了实际传感器的开发。除了这些结构修改外，还探索了基于材料的方法。例如，带有二氧化硅SiO₂/多孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜的光纤湿度传感器[25]通过湿度引起的光强度变化来提高灵敏度，而基于金属有机框架（MOF-5）的等离子体吸收传感器通过测量金纳米粒子上的光吸收变化来提高Pb²⁺离子的检测能力[26]。在[27]中，作者展示了一种基于Ag/Au涂层无芯光纤的级联表面等离子体共振（SPR）传感器，用于同时检测RI和pH值，该传感器表现出优异的灵敏度、强大的稳定性和广泛的检测范围。通过利用光与材料属性之间的相互作用，他们实现了更高的选择性、更快的响应速度；然而，它们可能仍面临响应和恢复时间较长、易受湿度影响以及外部信号干扰等挑战。因此，制定稳健的方法来减轻制造复杂性并推进高灵敏度光学传感器的实际应用至关重要。与依赖这些基于材料的方法不同，当前的研究越来越多地关注光束成形技术，从而开发出复杂的光模式，如贝塞尔光束、艾里光束、涡旋光束、拉盖尔-高斯光束和马修光束[28]。这些非高斯光束具有独特的传播特性，使它们在光传感应用中特别有效，因为它们增强了光与检测介质之间的相互作用，这是提高传感器灵敏度的关键因素。例如，贝塞尔-高斯光束已被用于各种基于多模干涉的光纤传感器中，与传统的基于高斯光束的传感器相比，显示出更好的灵敏度[29]、[30]、[31]、[32]。类似地，艾里光束在基于衰减场吸收的折射率传感系统中得到了应用，其自我加速的传播轨迹和对衍射的抵抗力使得光-物质相互作用更高效，从而提高了传感性能[33]。此外，具有轨道角动量（OAM）的涡旋光束也在多模干涉（MMI）效应中显示出显著提升[34]、[35]。扩展这种方法，拉盖尔-高斯光束在弱散射介质中的短距离检测中表现出优势，显示出比标准高斯光束更低的传播损耗和更好的相位稳定性[36]。总体而言，这些结构化光束模式推动了光纤传感器范式的变革性进步，提高了检测精度和传感效率。最近，拉盖尔高阶余弦高斯光束（LHOChGB）因其独特的传播行为而受到越来越多的研究关注。尽管LHOChGB最初被提出作为一种结构化光的理论模型，但其创新潜力巨大，但迄今为止仅在少数实际应用中得到利用。这种复杂光束轮廓的生成通常通过空间光调制器（SLM）来实现，该调制器能够精确控制入射光波前的相位和/或幅度，从而动态合成各种结构化光束[37]。在一个值得注意的进展中，Benzehoua等人实验研究了LHOChGB在肝脏组织中的传播特性，证明了其在生物医学成像中的可行性，并强调了生物结构对光束强度分布和形态演变的重要影响[38]。此外，LHOChGB的螺旋波前、相位奇异性以及在芯-包层边界处的强场局域化有助于高效激发高阶模式（HOM），从而提高了光传感应用中的灵敏度。另外，LHOChGB在通过单轴晶体传播时提供了可调的强度和相位分布，适用于精确的光学传感[39]。在手性介质中，其空间波前会根据介质的手性因素发生调制，从而实现高分辨率的折射率（RI）检测[40]。此外，它在分数傅里叶变换系统中的演变突显了其在先进光束成形和光学操控场景中的适用性[41]。尽管具有这些优势，LHOChGB在光纤传感中的实用性仍然很大程度上未得到探索。由于其比传统高斯光束更强的激发HOMs能力和与周围介质的增强相互作用，LHOChGB成为设计适用于化学和生物传感领域下一代光学传感器的有力候选者。

因此，本研究提出了通过将LHOChGB投影到暴露芯多模光纤（MMF）上来增强光-物质相互作用，从而增强衰减场并提高灵敏度的超灵敏光学折射率传感器的概念和计算分析。在这一介绍之后，第2节建立了LHOChGB在未涂层多模光纤中传播的理论基础，并基于衰减波相互作用检验了其用于RI传感的有效性。第3节使用OptiBPM（v13.1.3）进行了严格的数值研究，清楚地证明了与标准高斯照明相比，LHOChGB激发时的传感性能有显著提升。此外，还系统分析了光纤芯尺寸、光束腰径调节、与其他结构化光束（如艾里光束、贝塞尔光束）的比较以及温度诱导效应对整体传感行为的影响。

部分摘录

提出的传感框架

所提出的方案利用LHOChGB作为照明源进行RI传感，该光束采用衰减波吸收原理。该装置包括一个SLM，用于对入射的高斯光束施加结构化相位调制，该高斯光束由发射波长为632.8 nm的单模二极管激光器产生。如图1所示，塑料包层二氧化硅MMF的中心区域被选择性剥离，以增强芯-分析物界面处的衰减场生成。

设计参数

在模拟部分，我们使用波长为632.8 nm的激光源，光纤芯的折射率定义为1.4446。光纤的芯直径被认为是100 μm，LHOChGB的光束腰径为7 μm。选择7 μm的光束腰径是因为它在多模光纤传感器中最佳地平衡了高阶模式激发、衰减场增强和耦合效率。低于此值的光束腰径会导致过度聚焦和辐射损失，而更大的腰径

结论

本研究提出了一种通过采用拉盖尔高阶余弦高斯光束作为光学激发源来大幅提高光学折射率传感器的灵敏度的新方法。据我们所知，这是首次报道在未涂层多模光纤中使用拉盖尔高阶余弦高斯光束进行折射率传感的研究，这是本研究的主要创新点。与传统依赖于结构化方法的方法不同

致谢

作者衷心感谢SRM大学-AP提供的财政支持，该支持通过大学研究种子基金计划（批准编号：SRMAP/URG/SEED/2024-25/046，日期为2024年9月17日）获得。

CRediT作者贡献声明

Sreenivasulu Tupakula：监督、软件、资源、项目管理。Bodem Indraja：写作——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、数据管理、概念化。Arijit Datta：可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Swagata Samanta：项目管理、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。