糖葫蘆型光纖傳感結構的制備及特性研究

李敏 白茹冰 叢愛民 梁宇宏 王斐儒

摘 要：全光纖錐形溫度傳感結構受到二氧化硅材料本身限制，溫度靈敏度不高。光纖錐結合與溫敏材料制備的傳感器，雖靈敏度有所提高，但集成度較差。本文采用熔融拉錐技術制備光纖錐，并在錐上均勻涂覆聚合物微球，紫外光固化技術將聚合物微球與光纖錐集成為一體制備高集成、高靈敏的糖葫蘆型光纖溫度傳感結構。干涉譜存在低頻峰和高頻峰，低通濾波得到低頻干涉譜。并監測1475nm附近干涉峰隨溫度的變化情況，當環境溫度在30℃到55℃范圍變化時，該結構的靈敏度可達0.1182dB/℃。

關鍵詞：光纖傳感；光纖錐；聚合物；溫度；熔融拉錐

中圖分類號：TN253；TP212? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）09-0027-04

1 引言

光纖溫度傳感器可以實現環境溫度的高靈敏傳感探測[1-3]，在電力系統、建筑業、航空航天業以及海洋開發等眾多領域已被廣泛應用。光纖溫度傳感結構根據光是否發生干涉分為干涉型和非干涉型。非干涉型光纖溫度傳感結構主要利用布拉格光柵制備而成[4]，其靈敏度在7～11pm/℃之間，該類結構制備過程復雜且靈敏度不高。干涉型光纖溫度傳感結構通常采用在光纖內刻蝕微腔[5，6]、拉制光纖錐[7-9]、熔接不同類型光纖[10，11]等方式制備而成，該類結構制作過程簡易、溫度傳感靈敏度較高，且易與新型熱敏功能性材料集成備成光纖溫度傳感結構，來進一步提高結構的溫度靈敏度，如液晶[12-14]、聚二甲基硅氧烷[15，16]、SU-8光刻膠[17，18]等。如王明月等人，利用液晶填充特種光纖設計光纖溫度傳感結構，其傳感結構的溫度靈敏度可達到21.06nm/℃，但該結構的溫度檢測范圍窄，且液晶的流動性使得堵塞位置難以控制[13]。PDMS填充毛細管與光纖集成制作的溫度傳感結構，其制備過程簡單，溫度靈敏度高，但其體積過大且需要固化時間較長，在實際應用中受限[15]。聚合物材料通過紫外曝光技術易于光纖材料快速集成，格外受到該領域研究者的喜愛。

本文采用簡單的熔融拉錐技術和紫外光固化技術制備一種基于聚合物微球的糖葫蘆型光纖溫度傳感結構。首先，通過簡單的熔融拉錐技術制備一個長2.3mm的錐形光纖；其次，在光纖錐上均勻點涂六個聚合物微球，聚合物微球的間距為125μm，聚合物微球的直徑為625μm，利用紫外光固化技術對光纖錐上的六個聚合物微球進行曝光，曝光后的聚合物微球交聯固化與光纖集成為一體，最終獲得一個基于聚合物微球的糖葫蘆型光纖溫度傳感結構。入射光在光纖錐的一側被分為兩束，兩束光分別在光纖錐和聚合物微球中向前傳輸，在光纖錐的另一側被耦合到光纖內干涉疊加，得到該結構的透射干涉譜。透射干涉譜中存在低頻峰和高頻峰，對干涉譜進行傅里葉變換，濾掉高頻峰得到低頻干涉譜。對濾波后1475nm附近干涉峰A隨溫度變化的詳細信息進行監測。當環境溫度在30℃到55℃之間變化時，該結構具有很好的溫度響應特性，其靈敏度可達0.1182dB/℃。該結構體積小、靈敏度較高且易與光纖集成，在電力系統、建筑業、航空航天業以及海洋開發等領域將有著廣泛的應用前景。

2 制備過程和理論分析

2.1 制備過程

糖葫蘆型光纖溫度傳感結構是利用熔融拉錐技術制備一個光纖錐，并在光纖錐上涂覆六個聚合物微球制備而成。具體步驟如下：第一步，取兩根長度一致的單模光纖（SMF-28e+），纖芯直徑8μm，包層直徑125μm。用光纖鉗在兩根多模光纖的一側剝去約1cm的涂覆層，露出光纖包層，用鏡頭紙蘸取酒精擦掉光纖上殘留的碎屑，并將露出包層的光纖結構放在光纖切割機刀上把光纖的端面切平。第二步，將端面切平的兩段光纖固定在熔接機（KL-300T）的兩個V型槽內，通過手動清潔放電清理掉光纖端面上的碎屑，并把兩根單模光纖熔接在一起，手動清潔放電時間為300ms，手動補充放電定時880ms，電流強度為61bit。將兩段光纖熔接在一起后，再進行多次手動放電。手動放電的同時對光纖施加一個外力，使得光纖以一定的速度向兩側運動，經多次放電，便可得到粗細均勻、長度為2.3mm的光纖錐形結構，將光纖錐形結構從熔接機中取出并固定在一個中間鏤空的樣品架上，樣品架放置在光纖精密切割CCD系統下（XDC-10A-530HS），如圖1所示。

第三步，用點膠儀器取適量的液態聚合物材料（SU-8光刻膠），在光纖精密切割CCD系統下將聚合物材料涂抹在光纖錐結構上制備糖葫蘆型光纖傳感結構。首先在靠近光纖錐的一側涂抹液態聚合物材料，由于表面張力的作用，聚合物材料會包裹著光纖錐形成一個液態聚合物微球，用紫外光源（XP104）照射聚合物微球使其固化，照射時間40s，激光波長為365nm，激光曝光劑量為800mJ/cm2。聚合物材料由聚合物單體和光引發劑組成，在紫外光照射下，聚合物材料中的光引發劑吸收光子產生活性酸H+，活性酸可以使聚合物單體中含有的化學鍵打開并與其他單體化學鍵間進行結合重組，最終交聯為固態的聚合物微球[17]。利用上述同樣的方法在光纖錐上共制備六個同樣的、等間距的聚合物微球結構，聚合物微球與光纖錐集成為一體形成一個糖葫蘆型光纖溫度傳感結構。

糖葫蘆型光纖溫度傳感結構的光學照片如圖2（a）所示。從圖2（a）中可觀察到，聚合物微球呈黃色，表面光滑，可以看到內部包裹著的光纖錐結構。聚合物微球在光纖錐上規律排列。光纖錐的長度為2.3mm，每兩個聚合物微球之間的光纖錐長為125μm，聚合物微球的直徑為625μm。將糖葫蘆型光纖傳感結構放入溫控箱（CK-80G）內，并分別與寬帶光源（SC-5-FC）和光譜儀（AQ6370D）連接。入射光在光纖錐的一側被分成兩束，分別經過光纖錐和聚合物微球后耦合到光纖內干涉，最終獲得該結構的透射干涉譜。溫控箱的溫度被設定為30℃，待穩定1分鐘后記錄該結構的透射譜，如圖2（b）所示。從圖中可以看到，該結構的干涉譜由低頻干涉峰和高頻干涉峰構成。由于高頻干涉峰不利于在傳感測試中數據采集和處理，所以這里我們對干涉譜中的高頻信號進行濾波。

首先，對本實驗中光纖傳感結構在30℃下的透射干涉譜進行傅里葉變換，變換后的頻譜圖如圖3（a）所示。從圖3（a）可知，該結構的頻譜圖中包含兩個特征峰：峰A和峰B。峰A和峰B對應的頻率分別為f1=0.00432Hz，f2=0.00862Hz；其次，對30℃下的透射干涉譜進行低通濾波，讓頻率低于0.00840 Hz的低頻信號通過，濾波后的透射干涉譜在圖3（b）中給出。從圖3（b）中可以看到，在測量波長范圍（900nm-1600nm）內，透射干涉譜中存在三個低頻特征峰。

2.2 傳感理論

入射光在光纖錐的一側被分為兩束，這兩束光分別在光纖錐和聚合物微球中向前傳輸，在光纖錐的另一側進行耦合疊加形成該結構的透射干涉譜。光纖錐中傳輸的光束作為芯模，聚合物微球中的光束作為包層模，經過一定的傳輸距離后，芯模與包層模間產生一定的光程差。根據干涉原理其相位差Δφ可以表示為[19]：

其中ncore是芯模有效折射率，nclad是包層模有效折射率，L是干涉長度，λ是光源的波長，m是干涉級數。由于二氧化硅和SU-8光刻膠均存在熱光效應和熱膨脹效應，且SU-8光刻膠的熱光系數和熱膨脹系數較高，分別為-1.87×10-4/℃和52ppm/℃[17]，因此，該結構的有效折射率和干涉長度都將隨環境溫度變化而被調制。根據公式，芯模和包層模的相位差隨溫度變化而變化，最終表現為該結構透射干涉譜的強度發生變化。通過記錄透射干涉譜中干涉峰強度的變化即可實現環境溫度的傳感測試。

3 實驗結果與討論

為了研究提出的糖葫蘆型光纖傳感結構的溫度特性，搭建溫度測試裝置，測試裝置系統的示意圖如圖4所示。測試裝置系統分別由寬帶光源，光纖光譜儀和溫控箱組成。糖葫蘆型光纖傳感結構置于溫控箱內的樣品臺上，并分別與寬帶光源與光譜儀連接。

設置溫控箱的溫度從30℃到55℃之間以5℃為間隔變化，測量并記錄每個溫度下該結構的透射干涉譜，如圖5（a）所示。從圖5（a）中可看到，在測量波長范圍內，干涉峰A存在很好的溫度響應特性，隨著溫度升高，干涉峰A光強的最小值逐漸變大，記錄干涉峰A在每個溫度下光強度的最小值，以溫度為橫坐標，干涉峰A的最小強度值為縱坐標，對干涉峰A的最小強度值進行線性擬合，擬合結果如圖5（b）所示。線性擬合結果表明，糖葫蘆型光纖傳感結構的溫度靈敏度為0.1182dB/℃，線性相關系數為0.9823。隨著溫度的升高，干涉峰A的對比度減小，根據該結構的透射干涉譜及傳感靈敏度可知，該結構具有較高的測溫范圍，其測溫范圍主要由SU-8光刻膠材料本身的溫度工作范圍決定。

4 結論

綜上所述，本文實現了一種基于聚合物微結構的糖葫蘆型光纖錐溫度傳感結構。該結構利用點涂技術在光纖錐上涂抹六個液態的聚合物微球，六個聚合物微球通過紫外光固化技術集成在光纖錐上，實現了高靈敏的溫度傳感探測。光纖錐長為2.3mm，聚合物微球間距為125μm，聚合物微球的直徑為625μm。實驗結果表明，光纖傳感結構的溫度靈敏度可達0.1182dB/℃。該結構與傳統光纖傳感結構相比靈敏度高、體積小、集成度高，可在電力系統、建筑業、航空航天業以及海洋開發等領域有著廣泛的應用前景。

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