隨著材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域等領(lǐng)域?qū)ξ⑷豕庑盘柕慕馕鲂枨蠹ぴ?，傳統(tǒng)大體積、低通量的弱光傳感手段已無法滿足“高靈敏度-全光譜-遠程在線”三重挑戰(zhàn)，而新一代光纖光譜儀憑借高靈敏探測器、高分辨率和非接觸檢測等優(yōu)勢，在弱光檢測方面應(yīng)用越來越廣泛。

• 高靈敏度：采用CCD探測器，可檢測微弱光信號，適用于機械發(fā)光等弱光場景。

• 實時性：支持高速數(shù)據(jù)采集，能動態(tài)跟蹤光強變化，滿足應(yīng)力監(jiān)測的實時需求。

• 便攜性與靈活性：光纖探頭可遠程傳輸光信號，適用于惡劣環(huán)境（如黑暗實驗室或現(xiàn)場結(jié)構(gòu)監(jiān)測）。

• 全光譜分析：能同時捕獲寬波長范圍的光譜數(shù)據(jù)，便于分析發(fā)光機理和應(yīng)力關(guān)聯(lián)性。

• 抗干擾能力：光纖傳輸減少環(huán)境光噪聲，結(jié)合暗室條件可優(yōu)化信噪比。

(1) 材料科學(xué)領(lǐng)域

檢測低刺激強度下材料的微弱發(fā)光信號，分析發(fā)光機制與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系

監(jiān)測催化劑在低濃度反應(yīng)物條件下的微弱熒光信號，量化催化反應(yīng)效率

檢測半導(dǎo)體晶圓在弱激發(fā)光下的缺陷發(fā)光信號，定位材料內(nèi)部缺陷

(2) 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

檢測低濃度抗原 - 抗體復(fù)合物的微弱熒光信號，實現(xiàn)疾病早期診斷（如新冠病毒抗體檢測中的弱熒光信號量化）

捕捉生物體內(nèi) luciferase 等發(fā)光蛋白的微弱信號，研究細胞代謝、腫瘤生長等過程

通過長時間積分捕捉生物組織的微弱拉曼散射信號，實現(xiàn)無創(chuàng)病理診斷

(3) 環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域

檢測大氣中低濃度氣體（如甲醛、NO?）的微弱吸收光譜，實現(xiàn)痕量污染物定量

利用重金屬離子與顯色劑的微弱絡(luò)合熒光信號，檢測水中微量重金屬

量化夜間環(huán)境中的微弱光污染（如城市光泄漏），評估對生態(tài)系統(tǒng)的影響

(4) 航空航天領(lǐng)域

檢測航天器材料在太空弱輻射環(huán)境下的微弱發(fā)光信號，評估材料老化程度

捕捉推進劑燃燒過程中的微弱光譜信號，分析燃燒效率與組分變化

檢測航天器材料在太空弱輻射環(huán)境下的微弱發(fā)光信號，評估材料老化程度

論文《Flexible-elastic deformation measurement of ZnS:Cu2? mechanoluminescent film using visual inspection and digital image correlation》，使用由如海光電提供的光譜儀XS11639進行測試，通過結(jié)合視覺監(jiān)測與數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法，系統(tǒng)評估了ZnS:Cu2?-PDMS機械發(fā)光薄膜的柔性彈性變形性能。

隨著大量民用基礎(chǔ)設(shè)施進入服役期，新舊損傷不斷發(fā)展和積累，導(dǎo)致材料性能劣化和安全事故頻發(fā)。因此，可靠的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）對于評估基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的服役狀態(tài)和制定運維策略至關(guān)重要。機械發(fā)光材料作為一種應(yīng)力誘導(dǎo)發(fā)光現(xiàn)象，在SHM領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，尤其是彈性機械發(fā)光傳感器能夠可視化結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，用于檢測變形、疲勞損傷和斷裂。ZnS基機械發(fā)光材料（如ZnS:Cu2+）因其高亮度和可重復(fù)的穩(wěn)定發(fā)光特性，成為研究熱點。先前研究多集中于材料制備和發(fā)光性能，但對機械性能（如柔性彈性變形）的分析較少。傳統(tǒng)傳感器存在布設(shè)復(fù)雜、成本高等問題，而力致發(fā)光（mechanoluminescence, ML）材料因其能在受力時發(fā)光，成為新一代可視化應(yīng)力傳感材料。其中，ZnS:Cu2? 力致發(fā)光材料因其高亮度、可重復(fù)性和良好的彈性發(fā)光性能，成為研究熱點。將其與柔性基底（如PDMS）復(fù)合，可制備出柔性力致發(fā)光薄膜，用于結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力分布的可視化監(jiān)測。

本研究旨在評估ZnS:Cu2?-PDMS 力致發(fā)光薄膜在結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測中的響應(yīng)性能。通過由如海光電提供的XS11639光譜儀實時記錄薄膜在受拉過程中發(fā)光強度的變化，驗證其對結(jié)構(gòu)裂縫的敏感性和響應(yīng)能力，為其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

在視覺檢查實驗中，研究人員將ZnS:Cu2+-PDMS薄膜粘貼在復(fù)合混凝土試樣表面，并使用XS11639光纖光譜儀記錄薄膜的實時光譜。測試在拉伸試驗機上進行，最大應(yīng)力設(shè)置為2 MPa。光譜儀每5秒捕獲一次光譜數(shù)據(jù)，以監(jiān)測薄膜在混凝土斷裂過程中的光強變化。

圖1 混凝土裂縫過程的目視檢查與拉伸試驗

當(dāng)拉伸應(yīng)力達到1.89 MPa時，復(fù)合混凝土試樣在環(huán)氧樹脂接縫處斷裂。XS11639光譜儀記錄了動態(tài)光譜圖，顯示光強隨加載時間的變化。

圖2 動態(tài)光譜圖對應(yīng)于混凝土裂縫過程的可視化監(jiān)測

XS11639光譜儀測試結(jié)果顯示，ZnS:Cu2+-PDMS薄膜在混凝土斷裂時發(fā)出明亮的藍綠色光，光強隨拉伸應(yīng)力增加而逐漸升高。在斷裂瞬間（55秒時），光強達到峰值，表明薄膜對斷裂應(yīng)力高度敏感。薄膜的發(fā)光強度與應(yīng)力衰減同步減小，驗證了其可重復(fù)響應(yīng)能力。

在本案例中，由如海光電提供的XS11639光纖光譜儀成功實現(xiàn)了對ZnS:Cu2?-PDMS機械發(fā)光薄膜弱光信號的檢測。結(jié)論包括：

• 有效性：光譜儀能實時監(jiān)測弱光變化，靈敏度足以捕捉彈性變形階段的發(fā)光。

• 應(yīng)用價值：為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了弱光檢測解決方案，支持應(yīng)力可視化和早期損傷預(yù)警。

• 推廣意義：該方法可擴展至其他弱光場景，如生物發(fā)光或環(huán)境傳感。