倏逝场光纤检测

定义与物理图像

光在纤芯（折射率 $n_1$）与包层或外界介质（折射率 ）界面上发生全反射时，光并非在几何界面处立即折返，而是有一部分场延伸到低折射率介质中约一个波长的深度，再返回高折射率介质。这部分延伸到场外的电磁场称为倏逝波（倏逝场）。相应地，全反射时反射点相对入射点在传播方向上出现一个位移，称为；该位移的大小取决于入射角、偏振态及两侧介质参数，在非近临界角等近似条件下可与波长同量级。

倏逝场的穿透深度

倏逝场在低折射率介质中的振幅随离开界面的距离 $z$ 近似按指数衰减，可写为

其中 $E_0$ 为界面处场振幅，$d_p$ 为穿透深度（单位：m），即场振幅衰减到界面值 $1\mathrm{/}e$ 时的深度。$d_p$ 随入射角趋近临界角而增大、随波长增大而增大；在入射角不接近临界角的典型情形下，$d_p$ 与波长同量级，但趋近临界角时 $d_p$ 可显著大于一个波长。因此倏逝场只对界面附近一定深度范围内的介质光学性质敏感，该深度由 $d_p$ 决定，不能一概限定为约一个波长。

耦合调制机制

当两根光纤的纤芯靠近（或采用特殊包层结构使纤芯场与外界接触）时，一根光纤中的倏逝场可以穿过低折射率间隙进入另一根光纤，形成。耦合到另一根光纤的光强取决于：

• 耦合区长度 $L$（单位：m）；
• 两纤芯间距 $d$（单位：m）；
• 两介质的折射率 $n_1$、$n_2$。

当 $d$、$L$ 或 $n_2$ 发生微小变化时，光探测器接收到的光强会出现明显变化。这就是强度调制型倏逝场光纤传感器的基本依据。

典型结构与信号关系

系统由光源、耦合结构和光探测器组成。两根光纤平行放置，中间耦合区长度为 $L$、间距为 $d$，折射率分别为 $n_1$ 和 $n_2$。外界被测参量（如声压）改变 $n_2$ 或 $d$，使耦合效率变化，探测器光强随之改变，从而解调出被测信号。例如利用该原理可制作水听器。

适用范围与条件

• 必须满足全反射条件：$n_1>n_2$，且入射角大于临界角。
• 倏逝场作用范围由穿透深度 $d_p$ 决定，在入射角不接近临界角的典型情形下与波长同量级，趋近临界角时可显著增大；因此只对界面附近一定深度范围内的介质敏感，适合检测表面或近场范围内的折射率、吸收等光学性质变化。
• 耦合区参数 $L$、$d$ 的微小变化即可引起光强明显变化，故对机械定位和外界扰动较敏感。