糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受到二氧化硅材料本身限制，溫度靈敏度不高。光纖錐結(jié)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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)。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(jiān)測(cè)1475nm附近干涉峰隨溫度的變化情況，當(dāng)環(huán)境溫度在30℃到55℃范圍變化時(shí)，該結(jié)構(gòu)的靈敏度可達(dá)0.1182dB/℃。

關(guān)鍵詞：光纖傳感；光纖錐；聚合物；溫度；熔融拉錐

中圖分類號(hào)：TN253；TP212? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2023）09-0027-04

1 引言

光纖溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的高靈敏傳感探測(cè)[1-3]，在電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)等眾多領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)根據(jù)光是否發(fā)生干涉分為干涉型和非干涉型。非干涉型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)制備過程復(fù)雜且靈敏度不高。干涉型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)通常采用在光纖內(nèi)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(jié)構(gòu)制作過程簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)，來進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)，其傳感結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度可達(dá)到21.06nm/℃，但該結(jié)構(gòu)的溫度檢測(cè)范圍窄，且液晶的流動(dòng)性使得堵塞位置難以控制[13]。PDMS填充毛細(xì)管與光纖集成制作的溫度傳感結(jié)構(gòu)，其制備過程簡(jiǎn)單，溫度靈敏度高，但其體積過大且需要固化時(shí)間較長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中受限[15]。聚合物材料通過紫外曝光技術(shù)易于光纖材料快速集成，格外受到該領(lǐng)域研究者的喜愛。

本文采用簡(jiǎn)單的熔融拉錐技術(shù)和紫外光固化技術(shù)制備一種基于聚合物微球的糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)。首先，通過簡(jiǎn)單的熔融拉錐技術(shù)制備一個(gè)長(zhǎng)2.3mm的錐形光纖；其次，在光纖錐上均勻點(diǎn)涂六個(gè)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(shù)對(duì)光纖錐上的六個(gè)聚合物微球進(jìn)行曝光，曝光后的聚合物微球交聯(lián)固化與光纖集成為一體，最終獲得一個(gè)基于聚合物微球的糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)。入射光在光纖錐的一側(cè)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(cè)被耦合到光纖內(nèi)干涉疊加，得到該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜。透射干涉譜中存在低頻峰和高頻峰，對(duì)干涉譜進(jìn)行傅里葉變換，濾掉高頻峰得到低頻干涉譜。對(duì)濾波后1475nm附近干涉峰A隨溫度變化的詳細(xì)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)環(huán)境溫度在30℃到55℃之間變化時(shí)，該結(jié)構(gòu)具有很好的溫度響應(yīng)特性，其靈敏度可達(dá)0.1182dB/℃。該結(jié)構(gòu)體積小、靈敏度較高且易與光纖集成，在電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)是利用熔融拉錐技術(shù)制備一個(gè)光纖錐，并在光纖錐上涂覆六個(gè)聚合物微球制備而成。具體步驟如下：第一步，取兩根長(zhǎng)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(cè)剝?nèi)ゼs1cm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(jié)構(gòu)放在光纖切割機(jī)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(jī)（KL-300T）的兩個(gè)V型槽內(nèi)，通過手動(dòng)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(dòng)清潔放電時(shí)間為300ms，手動(dòng)補(bǔ)充放電定時(shí)880ms，電流強(qiáng)度為61bit。將兩段光纖熔接在一起后，再進(jìn)行多次手動(dòng)放電。手動(dòng)放電的同時(shí)對(duì)光纖施加一個(gè)外力，使得光纖以一定的速度向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)多次放電，便可得到粗細(xì)均勻、長(zhǎng)度為2.3mm的光纖錐形結(jié)構(gòu)，將光纖錐形結(jié)構(gòu)從熔接機(jī)中取出并固定在一個(gè)中間鏤空的樣品架上，樣品架放置在光纖精密切割CCD系統(tǒng)下（XDC-10A-530HS），如圖1所示。

第三步，用點(diǎn)膠儀器取適量的液態(tài)聚合物材料（SU-8光刻膠），在光纖精密切割CCD系統(tǒng)下將聚合物材料涂抹在光纖錐結(jié)構(gòu)上制備糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)。首先在靠近光纖錐的一側(cè)涂抹液態(tài)聚合物材料，由于表面張力的作用，聚合物材料會(huì)包裹著光纖錐形成一個(gè)液態(tài)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(shí)間40s，激光波長(zhǎng)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(fā)劑組成，在紫外光照射下，聚合物材料中的光引發(fā)劑吸收光子產(chǎn)生活性酸H+，活性酸可以使聚合物單體中含有的化學(xué)鍵打開并與其他單體化學(xué)鍵間進(jìn)行結(jié)合重組，最終交聯(lián)為固態(tài)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(gè)同樣的、等間距的聚合物微球結(jié)構(gòu)，聚合物微球與光纖錐集成為一體形成一個(gè)糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)。

糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)的光學(xué)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(nèi)部包裹著的光纖錐結(jié)構(gòu)。聚合物微球在光纖錐上規(guī)律排列。光纖錐的長(zhǎng)度為2.3mm，每?jī)蓚€(gè)聚合物微球之間的光纖錐長(zhǎng)為125μm，聚合物微球的直徑為625μm。將糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)放入溫控箱（CK-80G）內(nèi)，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(cè)被分成兩束，分別經(jīng)過光纖錐和聚合物微球后耦合到光纖內(nèi)干涉，最終獲得該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜。溫控箱的溫度被設(shè)定為30℃，待穩(wěn)定1分鐘后記錄該結(jié)構(gòu)的透射譜，如圖2（b）所示。從圖中可以看到，該結(jié)構(gòu)的干涉譜由低頻干涉峰和高頻干涉峰構(gòu)成。由于高頻干涉峰不利于在傳感測(cè)試中數(shù)據(jù)采集和處理，所以這里我們對(duì)干涉譜中的高頻信號(hào)進(jìn)行濾波。

首先，對(duì)本實(shí)驗(yàn)中光纖傳感結(jié)構(gòu)在30℃下的透射干涉譜進(jìn)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(jié)構(gòu)的頻譜圖中包含兩個(gè)特征峰：峰A和峰B。峰A和峰B對(duì)應(yīng)的頻率分別為f1=0.00432Hz，f2=0.00862Hz；其次，對(duì)30℃下的透射干涉譜進(jìn)行低通濾波，讓頻率低于0.00840 Hz的低頻信號(hào)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(cè)量波長(zhǎng)范圍（900nm-1600nm）內(nèi)，透射干涉譜中存在三個(gè)低頻特征峰。

2.2 傳感理論

入射光在光纖錐的一側(cè)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(cè)進(jìn)行耦合疊加形成該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜。光纖錐中傳輸?shù)墓馐鳛樾灸?，聚合物微球中的光束作為包層模，?jīng)過一定的傳輸距離后，芯模與包層模間產(chǎn)生一定的光程差。根據(jù)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(zhǎng)度，λ是光源的波長(zhǎng)，m是干涉級(jí)數(shù)。由于二氧化硅和SU-8光刻膠均存在熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)，且SU-8光刻膠的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)較高，分別為-1.87×10-4/℃和52ppm/℃[17]，因此，該結(jié)構(gòu)的有效折射率和干涉長(zhǎng)度都將隨環(huán)境溫度變化而被調(diào)制。根據(jù)公式，芯模和包層模的相位差隨溫度變化而變化，最終表現(xiàn)為該結(jié)構(gòu)透射干涉譜的強(qiáng)度發(fā)生變化。通過記錄透射干涉譜中干涉峰強(qiáng)度的變化即可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的傳感測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了研究提出的糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)的溫度特性，搭建溫度測(cè)試裝置，測(cè)試裝置系統(tǒng)的示意圖如圖4所示。測(cè)試裝置系統(tǒng)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(jié)構(gòu)置于溫控箱內(nèi)的樣品臺(tái)上，并分別與寬帶光源與光譜儀連接。

設(shè)置溫控箱的溫度從30℃到55℃之間以5℃為間隔變化，測(cè)量并記錄每個(gè)溫度下該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜，如圖5（a）所示。從圖5（a）中可看到，在測(cè)量波長(zhǎng)范圍內(nèi)，干涉峰A存在很好的溫度響應(yīng)特性，隨著溫度升高，干涉峰A光強(qiáng)的最小值逐漸變大，記錄干涉峰A在每個(gè)溫度下光強(qiáng)度的最小值，以溫度為橫坐標(biāo)，干涉峰A的最小強(qiáng)度值為縱坐標(biāo)，對(duì)干涉峰A的最小強(qiáng)度值進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖5（b）所示。線性擬合結(jié)果表明，糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度為0.1182dB/℃，線性相關(guān)系數(shù)為0.9823。隨著溫度的升高，干涉峰A的對(duì)比度減小，根據(jù)該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜及傳感靈敏度可知，該結(jié)構(gòu)具有較高的測(cè)溫范圍，其測(cè)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(jié)論

綜上所述，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于聚合物微結(jié)構(gòu)的糖葫蘆型光纖錐溫度傳感結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用點(diǎn)涂技術(shù)在光纖錐上涂抹六個(gè)液態(tài)的聚合物微球，六個(gè)聚合物微球通過紫外光固化技術(shù)集成在光纖錐上，實(shí)現(xiàn)了高靈敏的溫度傳感探測(cè)。光纖錐長(zhǎng)為2.3mm，聚合物微球間距為125μm，聚合物微球的直徑為625μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖傳感結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度可達(dá)0.1182dB/℃。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)光纖傳感結(jié)構(gòu)相比靈敏度高、體積小、集成度高，可在電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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