基于聚合物填充的微结构光纤温度传感器

李 望,罗 韵,彭志清,冯国英

(1.四川大学电子信息学院 激光微纳工程研究所,四川 成都 610065;2.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900)

1 引 言

温度作为环境变化的重要基本参数,其快速精确的检测方法备受科学界及工业界的关注。传统的温度传感检测技术存在分辨率低、解调复杂、价格昂贵、易受环境干扰等缺点,而光纤温度传感器具有体积小、质量轻、响应快、抗电磁干扰能力强等优点,被应用于多个领域[1]。在各类光纤温度传感器中,基于改变干涉腔表面反射率或光程差的光纤法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérot interferometer,FPI)因具有多路复用和高灵敏度等固有特性被广泛研究[2]。FPI的光谱的波长偏移或干涉条纹强度的变化与微腔的长度(MCL)或折射率(RI)有关[3-4]。FPI作为反射式传感器,可利用化学腐蚀、端面成膜以及特殊光纤拼接技术等方法在光纤的末端构成微腔[5],也可利用飞秒激光加工等技术在光纤中形成[6-7]。

对于聚合物填充型FPI,温度的改变使得填充物的RI和MCL发生改变,从而对光谱的干涉波长和强度产生影响。Zhao等人将石墨烯量子点和聚乙烯醇的复合材料(GQDs-PVA)填充到空芯光纤中,Lang等人在纤芯端面上制备了紫外固化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物微棒,湿度的改变使材料的RI和MCL改变,由此设计了灵敏度高、重复性好的光纤传感器[8-9],验证了聚合物填充型FPI的传感原理与可行性。Liu等人将单模光纤插入毛细管中,并在毛细管中沉积一滴聚四氟乙烯共聚物(Nafion)溶液,构建了灵敏度为2.71 nm/℃的光纤温度传感器[10]。Zhang等人将光纤插入部分填充聚合物的毛细管中形成空气微腔,实现了5.2 nm/℃的高灵敏度[11]。Cao等人制造了一种基于级联的聚合物微气泡腔的微型,在20～55 ℃的测量范围内灵敏度高达5.013 nm/℃[12]。Chen等人将空芯光纤与单模光纤熔接,并向空芯光纤中填充二甲基硅氧烷(PDMS),得到灵敏度为2.7035 nm/℃的空气微泡FPI[13]。另外Li等人利用PDMS的热膨胀作用可改变微腔长度的特性,还提出了高灵敏度的氢传感器[14]。Li等人提出了一种紧凑型液态填充FPI的温度传感探头,利用液态聚合物的热膨胀作用得到了灵敏度为877 pm/℃的温度传感器[15]。上述传感器均实现了较高灵敏度,但结构和制作工艺复杂,且成本昂贵、不适合批量制造。

本文提出了一种基于聚合物填充微腔FPI的光纤温度传感器:使用质量分数为40 %的氢氟酸溶液在单模光纤端面腐蚀一定深度的凹槽后,用一定浓度的PMMA将腐蚀后的空腔填满,从而制成聚合物填充F-P微腔的传感元件,并研究了其温度传感特性,获得了随温度明显变化的稳定干涉谱。实验结果表明,光纤腐蚀深度与时间具有一定的规律,该传感器可以获得较大的温度灵敏度及较好的线性拟合度,线性拟合系数为 0.9588,且具有成本低,制造简单的优点,适合批量制作。

2 基本原理

2.1 传感机理

PMMA作为一种优良的热敏材料,具有良好的热光学效应和热膨胀效应,透光率达到92 %,且易于机械加工,变形温度范围为76～116 ℃。PMMA的热响应源于其热膨胀效应与光学效应的叠加,干涉波谷波长随温度的变化可表示为:

(1)

其中,dn0/dT为热折射系数,表示腔体材料折射率随温度改变的变化率；dL/dT为热膨胀系数,表示微腔尺寸随温度变化的对应关系。外界参量(温度,折射率,应力等)的变化可通过影响FP腔的腔体长度、腔体折射率等因素,导致其反射干涉谱波谷的波长或强度发生变化,建立对应关系就可实现传感目的。

2.2 光学机理

本文提出的FPI传感器结构及工作原理如图1所示。它主要由腐蚀一定深度的光纤凹型槽和PMMA腔体组成。PMMA、光纤和空气的折射率不同,形成了两个反射面:光纤内部凹槽-PMMA腔体接触面和PMMA端面-外界环境接触面,入射光会在两个界面发生两次菲涅尔反射。

图1 传感器结构示意图

光强为I0的入射光经过纤芯-PMMA形成的反射面M1时,一部分光发生菲涅尔反射,反射光强为I1；另一部分光发生透射,透射光经过PMMA-空气形成的反射面M2时发生第二次菲涅尔反射,反射光强为I2。I1和I2分别表示为[13]:

I1=I0R1,I2=I0(1-R1)R2(1-α)

(2)

其中,R1和R2分别为M1和M2的反射率;α是腔体的损耗,由菲涅尔反射原理可得[13]:

(3)

其中,n0为空气折射率;n1为PMMA的折射率;n2为纤芯的折射率。考虑到二氧化硅/空气和聚合物/空气界面的低反射率,这些表面的高阶反射可以被忽略[16]。

由于两束反射光I1和I2存在相位差,因此在纤芯中汇聚时发生干涉,输出光强可表示为:

=I0[R1+(1-R1)R2(1-α)+

(4)

其中,I1和I2分别为两束反射光的强度,相位差φ=4πn1L/λ,φ0为初始相位差;L为腔体有效长度;λ为入射光源信号中心波长,当φ12=(2m+1)π,m=0,1,2,3…,干涉强度得到极小值,输出光强干涉谱的干涉峰波长值可以表示为[17]:

(5)

3 传感器制备

3.1 试剂与仪器

实验中使用的光纤为标准单模光纤(SMF-28e,Corning)；光学显微镜(基恩士 VHX-600)；氢氟酸(≥40 %)；PMMA晶体颗粒(Sigma-Aldrich)；丙酮(成都市科龙化工)；ASE光源(光谱范围1510～1590 nm)；光谱分析仪(OSA;Yokogawa AQ6370C)；光纤熔接机(FITEL S177)；光纤切割刀(FITEL S325A)；三端口光纤环形器(Cofiber 1550)；加热控制器(EHC-100)；DZF型真空干燥箱。

3.2 聚合物F-P微腔的制备

由于单模光纤纤芯材料为掺杂二氧化铬的二氧化硅,包层材料为纯二氧化硅,利用HF对两种材料腐蚀速率的不同可以得到不同深度与开口大小的锥形凹槽。二氧化硅、二氧化铬与HF的化学反应可以由如下化学方程式表示:

SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O

GeO2+6HF→H2GeF6+2H2O

(6)

实验先选取一段完整的SMF并去除尖端涂覆层,用光纤切割刀将端面切平后固定在光纤支架上,并垂直浸入质量浓度为40 %的HF溶液中,腐蚀一段时间后取出超声清洗干燥各10 min,得到端面凹槽深度为L的SMF,其中L可通过蚀刻时间控制。

为探究最佳蚀刻时间,本文以6根去除尖端涂覆层的SMF垂直浸入HF溶液中分别腐蚀5 min,7 min,9 min,11 min,13 min,15min,重复10组实验得到不同蚀刻时间下的凹槽深度,通过计算平均值可得深度L分别为6.78 μm,8.35 μm,9.75 μm,13.94 μm,14.93 μm,17.12 μm,凹槽端面图如图2(a)所示。图2(b)为蚀刻凹槽的深度、开口宽度、光纤尖端直径与腐蚀时间之间的规律,不难看出,凹槽从纤芯处开始出现,当腐蚀时间为5 min时,纤芯处开始出现明显的凹槽,且随着腐蚀时间的增加,凹槽的深度变长,凹槽的开口直径增大。

图2 SMF尖端基本腐蚀特性

为制备PMMA填充型FP微腔,将浓度为0.125 g/mL的PMMA溶液(溶剂为丙酮溶液)转移到凹槽中,凝固后便在光纤尖端形成了聚合物填充型微腔结构。为了排除聚合物中空气的影响,凝固过程中将传感元件放置在真空机中抽取真空。所有制备过程均在室温下进行。

4 传感实验测试

4.1 传感实验装置

本文提出并搭建的反射式传感实验测试系统的装置示意图如图3所示。其中,自发辐射宽谱ASE的有效波长范围为1510～1590 nm；OSA分辨率为0.02 nm；加热控制台的温度在0～300 ℃可调,可调精度为0.1 ℃；环形器的端口1、2、3分别与ASE、传感元件、OSA连接,所有端口均由单模光纤跳线连接；为使感测区受热均匀,测试时在传感元件与加热平台之间放置一块载玻片；为避免外界环境温度以及气流对测量的影响,实验过程中用罩子罩住平台；从ASE出射的光经过环形器端口1进入环形器并从端口2出射到达传感元件,光在传感元件端面经过二次反射后产生干涉并重新从端口2进入环形器,最终从端口3出射后传输至OSA进行干涉光谱的实时检测。

图3 传感测试系统装置示意图

4.2 实验结果与分析

通过比较不同腐蚀深度的F-P聚合微腔传感器的反射光谱,当腐蚀时间7 min时,腐蚀深度为8～9 μm时,传感器的自由光谱FSR最宽,消光比ER最小,此时传感器的温度传感效果最佳。本文选取了最佳腐蚀时间的传感器进行70～86 ℃的温度响应实验,温度间隔为2～3 ℃。为确保测量的准确性,每一次数据都在温度保持恒定10 min后采集。选取了1560 nm波长处波谷的温度响应,经过光强值的相应处理,并作线性拟合,如图4所示。

图4 聚合物PMMA腔结构传感器温度特性

实验结果表明,当温度从70 ℃上升至86 ℃时,监测波谷的波长从1560.1 nm移动至1557.2 nm,即发生了蓝移,实验结果与理论相符合。通过计算得到该传感器的灵敏度约为182.5 pm/℃,线性拟合系数R2约为0.9588。

图5展示了该传感器在73 ℃下温度响应的时间稳定性。可以看到,传感器持续检测两个小时,其反射光谱谱仍能够保持良好的稳定性,监测波谷的波长恒定在1559.4 nm左右,未发生明显漂移,证明了传感器具有长期检测的应用潜力。

图5 传感器时间稳定性

5 结 论

总之,本文采用HF直接腐蚀,热敏聚合物材料PMMA固化填充等工艺,提出并验证了一种新型的F-P干涉传感探头。通过实验优化了腐蚀深度。制备的温度传感器中干涉峰/谷的位置由于聚合物的热效应将发生变化,实现了在70～86 ℃温度范围182.5 pm/℃的灵敏度,线性拟合度为0.9588。该传感器制备工艺简单,价格低廉,长期稳定,体积小重量轻,测量方便快捷,具有批量生产的潜力,将是生物、化学传感应用的有力候选者。