糖葫芦型光纤传感结构的制备及特性研究

李敏 白茹冰 丛爱民 梁宇宏 王斐儒

摘 要：全光纤锥形温度传感结构受到二氧化硅材料本身限制，温度灵敏度不高。光纤锥结合与温敏材料制备的传感器，虽灵敏度有所提高，但集成度较差。本文采用熔融拉锥技术制备光纤锥，并在锥上均匀涂覆聚合物微球，紫外光固化技术将聚合物微球与光纤锥集成为一体制备高集成、高灵敏的糖葫芦型光纤温度传感结构。干涉谱存在低频峰和高频峰，低通滤波得到低频干涉谱。并监测1475nm附近干涉峰随温度的变化情况，当环境温度在30℃到55℃范围变化时，该结构的灵敏度可达0.1182dB/℃。

关键词：光纤传感；光纤锥；聚合物；温度；熔融拉锥

中图分类号：TN253；TP212  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）09-0027-04

1 引言

光纤温度传感器可以实现环境温度的高灵敏传感探测[1-3]，在电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发等众多领域已被广泛应用。光纤温度传感结构根据光是否发生干涉分为干涉型和非干涉型。非干涉型光纤温度传感结构主要利用布拉格光栅制备而成[4]，其灵敏度在7～11pm/℃之间，该类结构制备过程复杂且灵敏度不高。干涉型光纤温度传感结构通常采用在光纤内刻蚀微腔[5，6]、拉制光纖锥[7-9]、熔接不同类型光纤[10，11]等方式制备而成，该类结构制作过程简易、温度传感灵敏度较高，且易与新型热敏功能性材料集成备成光纤温度传感结构，来进一步提高结构的温度灵敏度，如液晶[12-14]、聚二甲基硅氧烷[15，16]、SU-8光刻胶[17，18]等。如王明月等人，利用液晶填充特种光纤设计光纤温度传感结构，其传感结构的温度灵敏度可达到21.06nm/℃，但该结构的温度检测范围窄，且液晶的流动性使得堵塞位置难以控制[13]。PDMS填充毛细管与光纤集成制作的温度传感结构，其制备过程简单，温度灵敏度高，但其体积过大且需要固化时间较长，在实际应用中受限[15]。聚合物材料通过紫外曝光技术易于光纤材料快速集成，格外受到该领域研究者的喜爱。

本文采用简单的熔融拉锥技术和紫外光固化技术制备一种基于聚合物微球的糖葫芦型光纤温度传感结构。首先，通过简单的熔融拉锥技术制备一个长2.3mm的锥形光纤；其次，在光纤锥上均匀点涂六个聚合物微球，聚合物微球的间距为125μm，聚合物微球的直径为625μm，利用紫外光固化技术对光纤锥上的六个聚合物微球进行曝光，曝光后的聚合物微球交联固化与光纤集成为一体，最终获得一个基于聚合物微球的糖葫芦型光纤温度传感结构。入射光在光纤锥的一侧被分为两束，两束光分别在光纤锥和聚合物微球中向前传输，在光纤锥的另一侧被耦合到光纤内干涉叠加，得到该结构的透射干涉谱。透射干涉谱中存在低频峰和高频峰，对干涉谱进行傅里叶变换，滤掉高频峰得到低频干涉谱。对滤波后1475nm附近干涉峰A随温度变化的详细信息进行监测。当环境温度在30℃到55℃之间变化时，该结构具有很好的温度响应特性，其灵敏度可达0.1182dB/℃。该结构体积小、灵敏度较高且易与光纤集成，在电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发等领域将有着广泛的应用前景。

2 制备过程和理论分析

2.1 制备过程

糖葫芦型光纤温度传感结构是利用熔融拉锥技术制备一个光纤锥，并在光纤锥上涂覆六个聚合物微球制备而成。具体步骤如下：第一步，取两根长度一致的单模光纤（SMF-28e+），纤芯直径8μm，包层直径125μm。用光纤钳在两根多模光纤的一侧剥去约1cm的涂覆层，露出光纤包层，用镜头纸蘸取酒精擦掉光纤上残留的碎屑，并将露出包层的光纤结构放在光纤切割机刀上把光纤的端面切平。第二步，将端面切平的两段光纤固定在熔接机（KL-300T）的两个V型槽内，通过手动清洁放电清理掉光纤端面上的碎屑，并把两根单模光纤熔接在一起，手动清洁放电时间为300ms，手动补充放电定时880ms，电流强度为61bit。将两段光纤熔接在一起后，再进行多次手动放电。手动放电的同时对光纤施加一个外力，使得光纤以一定的速度向两侧运动，经多次放电，便可得到粗细均匀、长度为2.3mm的光纤锥形结构，将光纤锥形结构从熔接机中取出并固定在一个中间镂空的样品架上，样品架放置在光纤精密切割CCD系统下（XDC-10A-530HS），如图1所示。

第三步，用点胶仪器取适量的液态聚合物材料（SU-8光刻胶），在光纤精密切割CCD系统下将聚合物材料涂抹在光纤锥结构上制备糖葫芦型光纤传感结构。首先在靠近光纤锥的一侧涂抹液态聚合物材料，由于表面张力的作用，聚合物材料会包裹着光纤锥形成一个液态聚合物微球，用紫外光源（XP104）照射聚合物微球使其固化，照射时间40s，激光波长为365nm，激光曝光剂量为800mJ/cm2。聚合物材料由聚合物单体和光引发剂组成，在紫外光照射下，聚合物材料中的光引发剂吸收光子产生活性酸H+，活性酸可以使聚合物单体中含有的化学键打开并与其他单体化学键间进行结合重组，最终交联为固态的聚合物微球[17]。利用上述同样的方法在光纤锥上共制备六个同样的、等间距的聚合物微球结构，聚合物微球与光纤锥集成为一体形成一个糖葫芦型光纤温度传感结构。

糖葫芦型光纤温度传感结构的光学照片如图2（a）所示。从图2（a）中可观察到，聚合物微球呈黄色，表面光滑，可以看到内部包裹着的光纤锥结构。聚合物微球在光纤锥上规律排列。光纤锥的长度为2.3mm，每两个聚合物微球之间的光纤锥长为125μm，聚合物微球的直径为625μm。将糖葫芦型光纤传感结构放入温控箱（CK-80G）内，并分别与宽带光源（SC-5-FC）和光谱仪（AQ6370D）连接。入射光在光纤锥的一侧被分成两束，分别经过光纤锥和聚合物微球后耦合到光纤内干涉，最终获得该结构的透射干涉谱。温控箱的温度被设定为30℃，待稳定1分钟后记录该结构的透射谱，如图2（b）所示。从图中可以看到，该结构的干涉谱由低频干涉峰和高频干涉峰构成。由于高频干涉峰不利于在传感测试中数据采集和处理，所以这里我们对干涉谱中的高频信号进行滤波。

首先，對本实验中光纤传感结构在30℃下的透射干涉谱进行傅里叶变换，变换后的频谱图如图3（a）所示。从图3（a）可知，该结构的频谱图中包含两个特征峰：峰A和峰B。峰A和峰B对应的频率分别为f1=0.00432Hz，f2=0.00862Hz；其次，对30℃下的透射干涉谱进行低通滤波，让频率低于0.00840 Hz的低频信号通过，滤波后的透射干涉谱在图3（b）中给出。从图3（b）中可以看到，在测量波长范围（900nm-1600nm）内，透射干涉谱中存在三个低频特征峰。

2.2 传感理论

入射光在光纤锥的一侧被分为两束，这两束光分别在光纤锥和聚合物微球中向前传输，在光纤锥的另一侧进行耦合叠加形成该结构的透射干涉谱。光纤锥中传输的光束作为芯模，聚合物微球中的光束作为包层模，经过一定的传输距离后，芯模与包层模间产生一定的光程差。根据干涉原理其相位差Δφ可以表示为[19]：

其中ncore是芯模有效折射率，nclad是包层模有效折射率，L是干涉长度，λ是光源的波长，m是干涉级数。由于二氧化硅和SU-8光刻胶均存在热光效应和热膨胀效应，且SU-8光刻胶的热光系数和热膨胀系数较高，分别为-1.87×10-4/℃和52ppm/℃[17]，因此，该结构的有效折射率和干涉长度都将随环境温度变化而被调制。根据公式，芯模和包层模的相位差随温度变化而变化，最终表现为该结构透射干涉谱的强度发生变化。通过记录透射干涉谱中干涉峰强度的变化即可实现环境温度的传感测试。

3 实验结果与讨论

为了研究提出的糖葫芦型光纤传感结构的温度特性，搭建温度测试装置，测试装置系统的示意图如图4所示。测试装置系统分别由宽带光源，光纤光谱仪和温控箱组成。糖葫芦型光纤传感结构置于温控箱内的样品台上，并分别与宽带光源与光谱仪连接。

设置温控箱的温度从30℃到55℃之间以5℃为间隔变化，测量并记录每个温度下该结构的透射干涉谱，如图5（a）所示。从图5（a）中可看到，在测量波长范围内，干涉峰A存在很好的温度响应特性，随着温度升高，干涉峰A光强的最小值逐渐变大，记录干涉峰A在每个温度下光强度的最小值，以温度为横坐标，干涉峰A的最小强度值为纵坐标，对干涉峰A的最小强度值进行线性拟合，拟合结果如图5（b）所示。线性拟合结果表明，糖葫芦型光纤传感结构的温度灵敏度为0.1182dB/℃，线性相关系数为0.9823。随着温度的升高，干涉峰A的对比度减小，根据该结构的透射干涉谱及传感灵敏度可知，该结构具有较高的测温范围，其测温范围主要由SU-8光刻胶材料本身的温度工作范围决定。

4 结论

综上所述，本文实现了一种基于聚合物微结构的糖葫芦型光纤锥温度传感结构。该结构利用点涂技术在光纤锥上涂抹六个液态的聚合物微球，六个聚合物微球通过紫外光固化技术集成在光纤锥上，实现了高灵敏的温度传感探测。光纤锥长为2.3mm，聚合物微球间距为125μm，聚合物微球的直径为625μm。实验结果表明，光纤传感结构的温度灵敏度可达0.1182dB/℃。该结构与传统光纤传感结构相比灵敏度高、体积小、集成度高，可在电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发等领域有着广泛的应用前景。

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