聚合物雙微橢球的光纖錐溫度和磁場傳感結構研究

李紅娟，貢穎婕，李 敏，肖景林

（1.赤峰學院 物理與智能制造工程學院，內蒙古 赤峰 024000；2.內蒙古民族大學凝聚態物理研究所，內蒙古 通遼 028043）

磁場傳感器將磁場信息轉換為其他信號輸出，實現了對磁場信息進行的傳輸、記錄和控制，是實現自動檢測和自動控制的核心部件［1-3］。磁場傳感器主要有電學磁場傳感器和光學磁場傳感器兩大類。電學磁場傳感器容易受環境非目標電磁信號的干擾，因此，對目標信號的探測精度較低。光學磁場傳感器利用光信號作為載體對磁場信號進行傳感，具有精度高、耐腐蝕、抗電磁干擾等特點，可有效避免電學磁場傳感器的不足，受到該領域研究者們的喜愛。其中，光纖磁場傳感器體積小、靈敏度高，可以遠距離監控，且通過激光微納米加工［4-7］、化學腐蝕［8-10］和熔融等技術［11-13］可以制作成所需形狀的傳感結構而備受關注。目前，在航空航天、電網系統、道路監控、軌道交通、食品安全等領域都有著廣泛的應用。

由于光纖材料本身對環境磁場不敏感，因此，光纖磁場傳感器主要是由磁致伸縮材料、磁光材料和光纖的集成制備得到的。磁性流體（MF）是一種液體和固體的磁性黑棕色膠體溶液，該材料具有多功能的磁光特性，如可調折射率、法拉第效應、雙折射效應和熱透鏡效應。最近，利用磁流體折射率可調特性設計的光纖磁場傳感器實現了對環境磁場［14-16］的靈敏檢測，但磁流體是由鐵磁粒子和液體負載混合制備的，因此，在強磁場下，鐵磁粒子與承載液體的分離會產生團簇，磁流體的聚類現象會導致器件性能改變甚至損壞。磁致伸縮材料（巨磁致伸縮材料，GMM）具有應變系數大、轉換效率高、響應速度快、功率密度高、頻率特性好、居里溫度高等性質，即使在強磁場作用下也不會發生聚簇現象，一些學者開發了基于光纖傳感器的磁致伸縮材料，但磁致伸縮材料存在壓阻，使其與傳感器的結合不易集成，生產過程復雜［17-19］。

紫外光敏聚合物材料由聚合物單體和光引發劑構成，未曝光前呈液態，在紫外光的照射下光引發劑產生活性酸，活性酸作為催化劑、催化聚合物單體交聯固化實現光纖的集成［20］。通過將磁流體與光刻膠摻雜配備磁性聚合物溶液，并將配備的磁性聚合物溶液涂抹在光纖錐結構的一側形成一個磁性聚合物微橢球，采用同樣的方法在光纖錐的另一側涂抹未摻雜的聚合物材料形成非磁性聚合物微橢球，聚合物雙微橢球與光纖錐形成了馬赫-曾德爾干涉儀。光纖錐通過簡單的熔融拉制法獲得，光纖錐的長度為0.8 mm，2個聚合物微?球在光纖錐上的距離為0.2 mm。光信號在光纖錐的一側被分成兩路，一路光在光纖錐中傳輸，另一路光在聚合物微橢球中傳輸，并在光纖錐的另一側耦合疊加，形成透射干涉譜，由于聚合物材料具有很好的熱光和熱膨脹效應，且磁性聚合物微橢球在磁場作用下被磁化，與外磁場發生相互作用時使得光纖彎曲，因此，環境溫度和磁場將對兩路信號的相位進行調制從而引起該結構的透射譜發生移動，采用傳感矩陣的方法實現環境溫度和磁場的同時測量。該傳感結構具有制作簡單、便于集成、輕巧便攜、制作成本低等特點。

1 聚合物雙微橢球光纖傳感結構的制備和基本理論

1.1 聚合物雙微橢球光纖傳感結構的制備

首先，配制磁性聚合物溶液。玻璃杯清洗備用，將光刻膠（GM1070）與磁流體按照2∶1的體積進行混合，保鮮膜密封玻璃杯口，置于超聲環境中震蕩使其均勻混合。其次，利用熔融拉錐法制備光纖錐結構。將纖芯和包層直徑分別是100 μm和125 μm的2段多模光纖的端面切平，并固定在熔接機（KL-300T）的V型槽中，見圖1（a）。利用自動熔接程序將2根光纖熔接，熔接成功后進行手動放電，手動放電次數和時間分別為4次和800 ms，清潔放電時間300 ms。手動放電過程中對2根光纖分別施加一個恒定的外力，使得光纖以一定的速度勻速向兩側運動，獲得錐長為0.8 mm的光纖錐結構，見圖1（b）。再次，在光纖錐上涂敷非磁性和磁性聚合物雙微橢球。光纖錐被固定在光纖夾具上。光纖夾具是將2 個光纖夾固定在玻璃板上制備而成的，2個光纖夾的距離為1 cm。光纖錐結構剛好懸空處于2 個光纖夾的正中間。夾具被置于光學精密切割系統（XDC-10A-530HS）下。磁性聚合物溶液用一次性注射器吸取，然后涂抹在光纖錐的一側。該過程在光學精密切割系統下操作。由于表面張力作用，聚合物材料在光纖錐的一側形成磁性聚合物微橢球。利用同樣的方法蘸取摻雜的光刻膠，涂抹在錐的另一側，獲得一個非磁性聚合物微橢球，見圖1（c）。最后，用紫外光源（XP104）照射光纖錐上的2個聚合物微橢球，聚合物材料中的光引發劑吸收紫外光產生活性酸，活性酸作為催化劑催化聚合物單體交聯，磁流體被交聯后的聚合物包裹并集成在光纖錐上。紫外光的光斑尺寸為6 mm，波長為365 nm。由于磁性聚合物材料存在強烈的散射，為使聚合物微橢球充分固化，紫外光源的照射時間為2 min。

圖1 聚合物雙微橢球光纖傳感結構的制備過程Fig.1 The preparation process of fiber sensing structures based on two polymer micro-ellipsoids

光纖傳感結構的光學照片見圖2（a）。圖2（a）中左側為非磁性聚合物微橢球，右側為磁性聚合物微橢球。2個微橢球間露出的光纖錐長度為0.2 mm。從圖2（a）中可以看出，兩聚合物微橢球的大小均勻，表面光滑，磁性聚合物微橢球因摻雜有磁流體材料，故其顏色更深。將該結構放入溫控箱（DHG-9031A）中，設置溫控箱的溫度為30 ℃。傳感結構的兩端分別與寬帶光源（YSL，SC-5-FC）和光譜儀（YOKOGAWA AQ63700D、波段為600～1 700 nm）相連，掃描并記錄該結構的透射譜線，見圖2（b）。該結構在1 250～1 650 nm光譜范圍內出現多個特征峰，其中，1 350 nm處干涉峰的對比度最大，最大值近12 dB。

圖2 光纖傳感結構光學圖片及干涉譜Fig.2 Optical picture and the interference spectrum of the sensing structure

1.2 基本理論

光纖錐集成2個聚合物微橢球構成光纖馬赫-曾德爾干涉儀傳感結構，光纖錐和2個聚合物微橢球分別作為干涉儀的2個臂。入射光在光纖錐的入射端被分成芯模和包層模繼續在光纖錐和聚合物微橢球中向前傳輸，并在光纖錐的另一端耦合到光纖內部干涉，最終獲得該結構的透射干涉譜。強度可以表示為［21］：

k1和k2是第1個和第2個聚合物微橢球的耦合效率，η為包層的傳輸損耗，φ0是與聚合物微橢球結構有關的初始相位差，Iin為輸入光強。Δφ為芯模和包層模之間的相位差，可表述為：

其中，ncore和nclad是芯模和包層模的有效折射率，L是兩者之間的干涉長度，λ是入射光的波長，當Δφ=(2m+1) π，m=0,1,2,…，最小輸出光強度可用公式表示為：

當環境中磁場發生改變時，磁性聚合物微橢球被磁化，聚合物微橢球的折射率被調制。此外，該結構被磁化，在磁場力的作用下光纖錐發生彎曲，引起結構的干涉長度改變。同樣，由于聚合物具有較高的熱光和熱膨脹系數，環境溫度變化也會調制傳感結構的有效折射率和干涉長度。折射率和干涉長度的變化使得干涉譜發生漂移。通過監測干涉譜的移動，采用傳感矩陣的方法便可同時對磁場強度和溫度進行高靈敏度探測。

2 數據分析

為了研究聚合物雙微橢球傳感結構的溫度和磁場特性，構建溫度和磁場測試系統，系統由寬帶光源、光纖光譜儀、三維移動平臺、釹鐵硼磁鐵、溫控箱（DHG-9031A）、高斯計（WT10C）等構成。高斯計探針與光纖傳感結構綁定在一起，并固定在溫控箱的平臺上，磁鐵置于傳感結構正下方的三維移動平臺上，系統示意圖見圖3。

圖3 溫度和磁場測試系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of temperature and magnetic field test system

2.1 磁場傳感特性

控制環境溫度不變，控制三維移動平臺運動來改變磁鐵與光纖傳感結構的相對位置，增大或減小光纖傳感結構所處環境的磁場強度大小，使磁場強度在5～35 mT范圍變化。實驗結果表明，隨著磁場強度的增加，干涉譜向右漂移，干涉譜中多個干涉峰都具有很好的磁場響應特性，見圖4（a）。記錄1 250 nm 和1 350 nm附近的2個干涉峰A和峰B在不同磁場強度下的中心波長，見圖4（b）。對圖4（b）中的數據點進行線性擬合，得到2 個干涉峰的磁場靈敏度分別為0.077 27、0.067 45 nm·mT-1，線性相關系數分別為0.997 04和0.984 46。

2.2 溫度傳感特性

進行溫度測量時，保證環境中磁場強度不變，調節溫控箱使得溫度在30～60 ℃之間變化，變化間隔為5 ℃。每5 ℃記錄1次干涉譜，見圖5（a）。在測量溫度范圍內，隨著溫度的增加干涉譜明顯向右漂移。記錄干涉峰A和干涉峰B在每個溫度下的中心波長，對不同溫度下干涉峰的中心波進行線性擬合，見圖5（b）。該結構的溫度靈敏度分別為0.228 73、0.161 62 nm·℃-1，線性擬合系數分別為0.995 76和0.993 53。

圖5 光纖傳感結構的溫度特性Fig.5 Temperature properties of the fiber sensing structure

文中的光纖溫度和磁場傳感結構，干涉譜中的2個干涉峰A和峰B對溫度和磁場均有不同響應，靈敏度矩陣可以表示為

方程中ΔM和ΔT分別代表環境中磁場和溫度的變化量，溫度的單位是℃。環境中磁場的變化通過高斯計測量，溫度變化通過溫控儀實現。ΔλA和ΔλB是干涉峰A和峰B隨溫度和磁場變化的波長漂移，單位為nm。SMA和STA分別為干涉峰A的磁場和溫度靈敏度，STB和SMB分別為干涉峰B的溫度和磁場靈敏度，因為兩峰的溫度和磁場靈敏度不同，且不成線性比例關系，因此，可以實現溫度和磁場的同時傳感。

3 結論

制備了聚合物雙微橢球的高靈敏錐形光纖傳感結構，實現了溫度和磁場的同時傳感。光纖錐通過熔融拉錐法制備，錐長為0.8 mm。磁性和非磁性聚合物微橢球通過紫外固化技術很容易被集成在光纖錐上，聚合物微橢球在長軸和短軸方向的長度分別為0.4、0.2 mm。實驗結果表明，磁場在5～35 mT范圍時，該結構干涉譜中兩干涉峰的磁場靈敏度分別為0.077 27、0.067 45 nm·mT-1，溫度在30～60 ℃范圍時，兩干涉峰的溫度靈敏度分別為0.228 73、0.161 62 nm·℃-1。采用靈敏度矩陣的方法實現了溫度與磁場的同時測量。聚合物微橢球將光纖錐結構緊緊包裹，有效地提高了結構的機械強度。且該傳感結構制備過程簡單、成本低，在醫療、航空航天等領域將有著重要的應用前景。