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Nanomedicine 2017：用于医疗应用的梯度滤光片

安娜·索布奇克-古曾达

低能量光在医疗实践中不断变得越来越重要。其缓解疼痛以及再生和增强微循环的活性已得到广泛认可。研究还表明，偏振光具有生物刺激特性。光利用技术需要光学滤波器，其目的是从光源发射的光谱中去除不需要的波长。干涉滤光片被构造为由高折射率材料和低折射率材料的交替薄膜组成的堆叠多层系统。通常，这些材料之间的低粘附力会导致过滤器的破坏，并且对相间边界的物理效应使它们难以制造。这项工作引入了对光学滤镜的新颖态度。提出了具有折射率梯度变化的滤光器的制造。该梯度是由在过滤器设计阶段预先确定的涂层成分的周期性变化造成的。在滤波器实现阶段，沉积两种材料。一种是折射率为1.45的二氧化硅，另一种是折射率为2.20的氮化硅，它们的比例连续周期性地变化，导致材料折射率呈梯度周期性变化。该技术包括使用四甲基二硅氮烷作为前体的射频等离子体增强化学气相沉积。使用氮气作为反应介质产生氮化硅涂层，而使用氧气则产生二氧化硅薄膜。当该过程在氮气和氧气的混合物中进行时，会沉积具有预定折射率值的材料。

FOS可以通过主要基于多种干涉配置的工作原理来实现，例如萨格纳克干涉仪、迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干涉仪和法布里-珀罗干涉仪。通常，这些方法表现出极其过高的灵敏度，即使交叉灵敏度代表了一个重大缺点：首先，温度的影响也可能引入相当高的尺寸不确定性（Grattan＆Sun，2000）。这些 FOS 可以设计为内在传感器，其中传感组件是光纤本身，也可以设计为外在传感器，其中小型测量传感组件连接在光纤的尖端。最常见的配置是第二种，将传感元件放置在光纤的尖端，原因是对与被测量有一般关系的温和参数进行调整。在这种情况下，光纤用于传输由光源（例如，激光器或二极管）发射的辐射，并将通过被测量调制的辐射从传感物体传输到光电探测器（例如，光学探测器）。频谱分析仪）。由于该解决方案，传感器还可以用于侵入式测量，因为测量设备（光源和光电探测器）的最大相位可以放置在距离微型传感元件较远的地方，因为光的电损耗非常有限。纤维。激光或二极管）并将通过被测量调制的辐射从传感物体传输到光电探测器（例如光谱分析仪）。由于该解决方案，传感器还可以用于侵入式测量，因为测量设备（光源和光电探测器）的最大相位可以放置在距离微型传感元件较远的地方，因为光的电损耗非常有限。纤维。激光或二极管）并将通过被测量调制的辐射从传感物体传输到光电探测器（例如光谱分析仪）。由于该解决方案，传感器还可以用于侵入式测量，因为测量设备（光源和光电探测器）的最大相位可以放置在距离微型传感元件较远的地方，因为光的电损耗非常有限。纤维。

在科学应用中，通常致力于压力和应变监测（Rolfe 等人，2007 年），最常见的草图完全基于使用 Fabry 和 Perot 提出的干涉仪配置（Fabry 和 Perot，1898），也被认为是多由于许多光束干涉一个谐振器，因此称为光束干涉仪。标准认知由两个相距一定距离的平行高反射镜组成。如果距离可变，则该仪器称为法布里-珀罗干涉仪。如果 d 固定，而入射光透视变化，则该仪器称为法布里-珀罗标准具。法布里-珀罗干涉仪可以区分非常接近的辐射波长。法布里-珀罗腔通常用作传感器的次要方面。其输出是波长为 d 的电磁辐射。为了获得高性能，主要基于法布里-珀罗干涉仪的维度装置希望光电探测器能够区分具有非常接近波长的辐射。其工作原理可描述如下。当通过弱光源（例如激光）发射的弱光束进入两个镜子之间时，会发生不止一次的反射现象。空腔中的电磁波可以产生相长或相消的相互作用，具体取决于它们是同相还是异相。如果相互作用的光束之间的光程长度差是光波长的整数倍，则发生对应于透射光强度峰值的正干涉条件。

用于绘制强度调制 FOS 草图的其他方法是基于两根光纤的轻度耦合。在确定4中示意性报道的这种配置中，经由光源发射的辐射在光纤内传送，光纤的远端定位在另一根光纤的前面。传输到第二根光纤中的光强度（通过使用位于其远端的光电探测器进行测量）与两个光纤尖端之间的距离 (d) 相关：当 d 增加时，传输强度会降低。

考虑到光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器的推出，大约已经过去了三十年，当时 Hill 等人。定位了光敏现象（Hill et al., 1978）。他们发现，由于具有高深度和精确波长的电磁波，具有掺锗纤芯的光纤可以表现出光致纤芯折射率的永久变化。以周期性折射率调整为特征的光纤芯构成FBG。仅十一年后，关于描述基于 FBG 的传感器的里程碑式发现就被发布了（Meltz 等人，1989）。此类传感器的开发主要由于成本过高和注意力困难而被推迟，直到整个九十年代才出现大幅减少。如今，识别光纤光栅的技术主要有两种：干涉法和分段掩模法。这些策略使得能够制造一些独特类型的光栅，标记为：FBG；长周期光纤光栅；啁啾光纤光栅；倾斜光纤光栅；和采样光纤光栅（Lee，2003）。如果光栅空间长度具有数百纳米的数量级，则该光栅被称为光纤布拉格光栅(FBG)，或者如果空间长度具有数百微米的数量级，则该光栅被称为长持续时间光栅(LPG)。面向应用的定制、降低的成本和稳健的设计对于此类传感技术的商业成功至关重要，特别是对于科学市场。这些策略使得能够制造一些独特类型的光栅，标记为：FBG；长周期光纤光栅；啁啾光纤光栅；倾斜光纤光栅；和采样光纤光栅（Lee，2003）。如果光栅空间长度具有数百纳米的数量级，则该光栅被称为光纤布拉格光栅(FBG)，或者如果空间长度具有数百微米的数量级，则该光栅被称为长持续时间光栅(LPG)。面向应用的定制、降低的成本和稳健的设计对于此类传感技术的商业成功至关重要，特别是对于科学市场。这些策略使得能够制造一些独特类型的光栅，标记为：FBG；长周期光纤光栅；啁啾光纤光栅；倾斜光纤光栅；和采样光纤光栅（Lee，2003）。如果光栅空间长度具有数百纳米的数量级，则该光栅被称为光纤布拉格光栅(FBG)，或者如果空间长度具有数百微米的数量级，则该光栅被称为长持续时间光栅(LPG)。面向应用的定制、降低的成本和稳健的设计对于此类传感技术的商业成功至关重要，特别是对于科学市场。如果光栅空间长度具有数百纳米的数量级，则该光栅被称为光纤布拉格光栅(FBG)，或者如果空间长度具有数百微米的数量级，则该光栅被称为长持续时间光栅(LPG)。面向应用的定制、降低的成本和稳健的设计对于此类传感技术的商业成功至关重要，特别是对于科学市场。如果光栅空间长度具有数百纳米的数量级，则该光栅被称为光纤布拉格光栅（FBG），或者如果空间长度具有数百微米的数量级，则该光栅被称为长持续时间光栅（LPG）。面向应用的定制、降低成本和稳健的设计对于此类传感技术的商业成功至关重要，特别是对于科学市场。