研究人員開發基于瓊脂波導和散斑場處理技術的全光纖電流傳感器

可生物降解的光波導是生物醫學和環境應用中光傳輸和光傳感的突破性技術。瓊脂作為一種可食用、柔軟、低成本、可再生的傳統生物聚合物的替代品，具有顯著的光學和機械特性。先前的工作介紹了基于其對濕度和周圍濃度的固有響應，將瓊脂制成光纖以用于化學測量。

據麥姆斯咨詢報道，近日，坎皮納斯大學（University of Campinas）的研究人員開發出用于評估電流的瓊脂基光學傳感器，其中流過材料的電荷產生溫度偏差，從而改變其折射率分布。因此，研究人員利用相干光激發光學器件，以分析輸出散斑場的動態響應，獲取所施加激勵的大小和方向。實驗驗證了大塊瓊脂球和無芯光纖的這種傳感原理，對于≤100 A的電流可獲得可靠的結果。據研究人員所知，這是基于可生物降解波導的電激勵全光纖電流傳感器的首次演示。相關研究成果以“Agar-based optical sensors for electric current measurements”為題發表在Scientific Reports期刊上。

在這項工作中，初始實驗評估了瓊脂濃度為2 wt%、平均直徑為4 mm的透明球在直流電作用下的光學響應。排針（pin headers）將樣品連接到試驗面包板上，以便在不干擾光學器件的情況下施加電激勵。雖然通過減少瓊脂含量可以提高可見光/近紅外范圍內的透射率，但是2 wt%的濃度更有利于確保室溫下的機械強度和化學穩定性。

由2 wt%瓊脂制成的透明球和無芯光纖

發射的多模光纖（MMF）用相干光照射球體，產生輸出的斑點圖案，因為瓊脂作為隨機散射介質工作。同時，電壓源調節流過瓊脂樣品的直流電流i，促進散斑場分布的動態變化。在0 ≤ i ≤ 104 μA的條件下進行測試，CCD相機記錄了500個連續散斑圖幀（~ 33 s），用于計算零均值歸一化互相關（ZNCC）系數Z。根據試驗結果，Z的逐漸衰減表明，隨著i的增大，散斑圖的變化變得更加活躍。隨后，研究人員模擬了瓊脂球內的電場分布，以預測電流如何在導體之間流動。

電流激勵下瓊脂球的光學響應

通過排針（pin headers）直流激勵瓊脂球內電場分布的模擬

研究人員通過用無芯光纖（瓊脂濃度為2 wt%，直徑和長度分別為2.5 mm和30 mm）代替球體來研究光波導的電流傳感能力。瓊脂光纖的ZNCC曲線比球體的衰減更快，在i ≥ 20 μA時達到飽和水平。在線性范圍（0 ≤ i ≤ 10 μA）內的靈敏度為0.664 s/μA。

瓊脂波導的光學響應

總體而言，研究人員開發了一種基于瓊脂波導和散斑場處理技術的全光纖電流傳感器。研究人員首次利用瓊脂-水樣品的電導率來調制透射光，并檢測輸入電流的大小和方向。除了未來在生物醫學分析中的應用，還可以設想用于光控應用的電驅動有源光學器件，即通過施加的電場來形成瓊脂器件的折射率分布，然后探索散斑場特性，以在數據傳輸和空分復用系統中選擇特定模式，或者作為非振動模式擾頻器清潔散斑輸出。在測量范圍、噪聲和可靠性方面仍然存在一些挑戰，這激發了瓊脂基光纖設計和光學探測系統的進一步發展，以獲得實用的可生物降解傳感器。

審核編輯：彭菁