Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Образец для цитирования:

Корсакова С. В., Романова Е. А. Особенности математического моделирования световых полей в сенсорном элементе для волоконной эванесцентной спектроскопии среднего ИК диапазона //Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2020. Т. 20, вып. 1. С. 55-63. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2020-20-1-55-63

Опубликована онлайн: 
02.03.2020
Язык публикации: 
русский
УДК: 
535.13:51.73

Особенности математического моделирования световых полей в сенсорном элементе для волоконной эванесцентной спектроскопии среднего ИК диапазона

Авторы: 
Корсакова Светлана Владимировна, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Саратовский филиал
Романова Елена Анатольевна, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Саратовский филиал
Аннотация: 

Вводится в рассмотрение математическая модель световых полей в сенсорном элементе волоконного датчика для эванесцентной спектроскопии среднего ИК диапазона, основанная на положениях спектральной теории диэлектрических волноводов. Обсуждается применимость приближенных математических моделей световых полей в сенсорном элементе, созданных ранее на основе оптико-геометрического подхода, а также применимость приближения слабонаправляющего световода. Показано, что для описания световых полей в халькогенидном сенсорном элементе надо решать векторную задачу в строгой электродинамической постановке. Одной из особенностей такой математической модели является присутствие поперечных компонент потока мощности эванесцентной моды в поперечном сечении световода. В модельном примере представлены расчеты продольных и поперечных компонент потока мощности гибридных эванесцентных мод в бесструктурном халькогенидном световоде, погруженном в ацетон.

DOI: 
10.18500/1817-3020-2020-20-1-55-63
Библиографический список: 
  1. Ta’eed V. G., Baker N. J., Fu L., Finsterbusch K., Lamont M. R. E., Moss D. J., Nguyen H. C., Eggleton B. J., Choi D. Y., Madden S., Luther-Davies B. Ultra fast alloptical chalcogenide glass photonic circuits // Opt. Express. 2007. Vol. 15, № 15. P. 9205–9221. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.15.009205
  2. Jonas E. R., Braiman M. S. Effi cient Source-to-Fiber Coupling Method Using a Diamond Rod : Theory and Application to Multimode Evanescent-Wave IR Absorption Spectroscopy // Appl. Spectrosc. 1993. Vol. 47, № 11. P. 1751–1759. DOI: https://doi.org/10.1366/0003702934066118
  3. Katz M., Katzir A., Schnitzer I., Bornstein A. Quantitative evaluation of chalcogenide glass fi ber evanescent wave spectroscopy // Appl. Opt. 1994. Vol. 33, № 25. P. 5888–5894. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.33.005888
  4. Messica A., Greenstein A., Katzir A. Theory of fi beroptic, evanescent-wave spectroscopy and sensors // Appl. Opt. 1996. Vol. 35, № 13. P. 2274–2284. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.35.002274
  5. Xu Y., Cottenden A., Jones N. B. A theoretical evaluation of fi bre-optic evanescent wave absorption in spectroscopy and sensors // Opt. Lasers Eng. 2006. Vol. 44, № 2. P. 93–101. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2005.05.003
  6. Heo J., Rodrigues M., Saggese S. J., Sigel G. H. Remote fi ber-optic chemical sensing using evanescent-wave interactions in chalcogenide glass fi bers // Appl. Opt. 1991. Vol. 30, № 6. P. 3944–3951. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.30.003944
  7. Sanghera J. S., Kung F. H., Pureza P. C., Nguyen V. Q., Miklos R. E., Aggarwal I. D. Infrared evanescentabsorption spectroscopy with chalcogenide glass fi bers // Appl. Opt. 1994. Vol. 33, № 27. P. 6315–6322. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.33.006315
  8. Sanghera J. S., Busse L. E., Pureza P. C., Aggarwal I. D., Kung F. H. IR Evanescent Absorption Spectroscopy of Toxic Chemicals Using Chalcogenide Glass Fibers // J. Am. Ceram. Soc. 1995. Vol. 78, № 8. P. 2198–2202. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1995.tb08636.x
  9. Amorphous Chalcogenides, Advances and Applications / ed. by R. Wang. Pan Stanford Publishing, 2013. 322 c.
  10. Kumar P. S., Vallabhan C. P. G., Nampoori V. P. N., Pillai V. N. S., Radhakrishnan P. A fi bre optic evanescent wave sensor used for the detection of trace nitrites in water // J. Opt. A. Pure Appl. Opt. 2002. Vol. 4, № 3. P. 247–250.
  11. Thomas L. S., George N. A., Kumar P. S., Radhakrishnan P., Vallabhan C. P., Nampoori V. P. Chemical sensing with microbent optical fi ber // Opt. Lett. 2001. Vol. 26, № 20. P. 1541–1543. DOI: https://doi.org/10.1364/OL.26.001541
  12. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. М. : Радио и связь, 1987. 656 с.
  13. Korsakova S., Romanova E., Velmuzhov A., Kotereva T., Sukhanov M., Shiryaev V. Peculiarities of the mid-infrared evanescent wave spectroscopy based on multimode chalcogenide fi bers // J. Non-Cryst. Solids. 2017. Vol. 475. P. 38–43. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.08.027
  14. Romanova E. A., Korsakova S., Komanec M., Nemecek T., Velmuzhov A., Sukhanov M., Shiryaev V. S. Multimode chalcogenide fi bers for evanescent wave sensing in the mid-IR // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2017. Vol. 23, № 2. P. 1–7. DOI: https://doi.org/10.1109/JSTQE.2016.2630846
  15. Romanova E., Korsakova S., Rozhnev A., Velmuzhov A., Shiryaev V. Novel approach for design of fi ber-based evanescent wave sensors for the mid-infrared spectroscopy // 20th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 2018. DOI: https://doi.org/10.1109/ICTON.2018.8473730
  16. Корсакова С. В., Романова Е. А., Вельмужов А. П., Котерева Т. В., Суханов М. В., Ширяев В. С. Исследование характеристик сенсорных элементов для волоконной эванесцентной спектроскопии среднего ИК диапазона // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125, вып. 9. С. 402–410. DOI: https://doi.org/10.21883/OS.2018.09.46559.78-18
  17. Velmuzhov A. P., Sukhanov M. V., Kotereva T. V., Zernova N. S., Shiryaev V. S., Karaksina E. V., Stepanov B. S., Churbanov M. F. Optical fi bers based on special pure Ge20Se80 and Ge26As17Se25Te32 glasses for FEWS // J. Non-Cryst. Solids. 2019. Vol. 517. P. 70–75. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2019.04.043
  18. Reichardt H. Ausstrahlungsbedingungen fur die Wellengleihung // Abh. Mathem. Seminar Univ. Hamburg. 1960. Bd. 24. S. 41–53.
  19. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М. : Наука, 1968. 344 с.
  20. Romanova E. A. Scalar approximation feasibility analysis near the cutoff frequency of HE1n fi bre mode with account of material losses // Optics Communications. 2002. Vol. 208, № 1. P. 91–96. DOI: https://doi.org/10.1016/S0030-4018(02)01572-9
  21. Savage J. A., Webber P. J., Pitt A. M. The Potential of Ge-As-Se-Te Glasses as 3–5 μm and 8–12 μm Infrared Optical Materials // Infrared Phys. 1980. Vol. 20, № 5. P. 313–320. DOI: https://doi.org/10.1016/0020-0891(80)90045-7
  22. Velmuzhov A. P., Shiryaev V. S., Sukhanov M. V., Kotereva T. V., Churbanov M. F., Zernova N. S., Plekhovich A. D. Fiber sensor on the basis of Ge26As17Se25Te32 glass for FEWS analysis // Opt. Mater. 2018. Vol. 75. P. 525–532. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2017.11.012
  23. Rheims J., Köser J., Wriedt T. Refractive-index measurements in the near-IR using an Abbe refractometer // Meas. Sci. Technol. 1997. Vol. 8, № 6. P. 601–605. DOI: https://doi.org/10.1088/0957-0233/8/6/003
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 17)