錐形微納光纖傳感器的優化設計

范金雨 郭資 張澤 夏章聰 李婧臨 張露 劉磊

摘? 要：錐形光纖在熒光傳感領域應用廣泛。其中，由自由基光聚合法制成的錐形微納光纖（PTOF）具有制造工藝靈活、耗能低的優點。為了提高熒光收集效率，進而提高錐形微納光纖傳感器的靈敏度，文章在不同曝光時間和曝光功率下制作了不同尺寸的PTOFs作為傳感頭，對包埋在錐形尖端的熒光素進行熒光收集。實驗結果表明，25μW，5s下生成的PTOF有較好的熒光收集效率，約為端面切平光纖的9.6倍。

關鍵詞：PTOF;光纖傳感;溶膠凝膠法;熒光收集特性

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0080-02

錐形光纖具有倏逝波強度強和熒光收集效率高等優越特性[1，2]。常用的制作錐形光纖的方法有化學腐蝕法、熔拉法及研磨法[3]。2009年，R.Bachelot等在前人基礎上通過自由基光聚合法在單模光纖末端形成聚合物微尖端[4]。與其它制錐工藝相比，該方法相對簡單，損耗低，對技術要求較低，更易于控制形狀參數[4]。制作PTOF過程中，光敏試劑被引發交聯聚合反應時的曝光時間和曝光功率等對PTOF的形狀有影響。本文通過不同尺寸PTOF熒光收集效率的比較，對錐形微納光纖傳感器進行優化設計。

1 錐形微納光纖的制作

1.1 實驗原理

本實驗在R.Bachelot[4]改進的光致聚合法制錐工藝基礎上制備錐形光纖。原理可表述為，在450nm到550nm之間某一波長的激光照射下，光敏試劑被引發交聯聚合反應，進而在石英光纖端面形成可以看作纖芯延伸的聚合物尖端。

1.2 制作步驟

首先配制光敏試劑。配方如下：3.5937g多官能丙烯酸酯單體季戊四醇三丙烯酸酯，303ul染料敏化劑曙紅-Y，0.0196g共引發劑甲基二乙醇胺。混合上述試劑并在室溫、1800rpm條件下水浴攪拌6h。

在25℃的暗室中制造PTOF。端面切平光纖一端垂直浸入光敏試劑并勻速拉出，來自488nm 激光器的激發光通過衰減器衰減到微瓦水平，被40倍物鏡耦合到光纖中，由纖芯到達光纖末端覆蓋的試劑。在PTOF制造過程中，使用光功率計調整到達光纖末端光的功率（曝光功率）;使用光學快門控制試劑的曝光時間。曝光完成后，將生成的錐形尖端浸入乙醇中以洗掉未反應的液體試劑。

2 溶膠凝膠材料及傳感頭的制作

2.1 實驗原理

實驗中，制備了端面切平的光纖以及不同曝光時間和曝光功率下的錐形光纖。通過錐形光纖對熒光素熒光的收集，可以直觀反映出不同光纖的熒光收集效率高低。為了固定熒光素，實驗中采用了通過溶膠凝膠技術制備的有機/無機雜化材料。其結合了無機和有機材料的優點，例如不易老化和光降解[5]。

2.2 制作步驟

甲基三乙氧基硅烷（MTES），原硅酸四乙酯（TEOS）用作反應前體，乙醇用作溶劑，稀鹽酸用作催化劑。將MTES，TEOS，乙醇（分析純）和稀鹽酸（20mM）依次加入到圓底燒瓶中，體積比為3：1：0.7：4。最后加入熒光素，使它在混合溶劑中的濃度為0.25mM。使用磁力攪拌器在50℃的水浴中以1000rpm的轉速攪拌混合試劑6h，冷凝管起回流作用。分裝制備好的溶膠凝膠材料，將聚合物尖端垂直浸入中并勻速拉出，在室溫下干燥幾小時，形成嵌有熒光素的薄膜。

3 結果與討論

3.1 包埋材料中熒光素的波形

熒光素是一種常見的熒光指示劑。在488nm的激發光下，熒光素水溶液的發射光譜在515nm處達到峰值。當溶劑被乙醇代替時，其最大的發射光譜向更長的波長方向漂移[6]。將熒光素與包埋材料混合試劑置于比色皿，可以在約517nm處與547nm處觀測到兩處峰值。這是包埋試劑中同時含有水和乙醇的緣故。

3.2 錐形尖端曲率半徑的影響因素

錐形差異直接影響著錐形光纖的熒光收集效率。而在制作錐形光纖的過程中，可以通過控制曝光功率和曝光時間來調整生成的聚合物尖端的幾何尺寸[4]。分別控制曝光時間以及曝光功率，制作兩組錐形光纖。

當曝光時間為5s，曝光功率由5μW增大至40μW時，測得的錐端半徑與曝光時間的關系如表1。可以觀察到，隨著曝光功率的增大，錐端曲率半徑增大;曝光功率增大到一定程度時，尖端曲率半徑無明顯增加，但此時錐的尖端中下部分變寬。

曝光功率為25μW，曝光時間由0.5s逐漸增大至15s時，可以觀察到光纖曲率半徑增大，且收斂于附著在光纖端面的光敏試劑的曲率半徑，最終尖端前部變平。

3.3 錐形尖端長度的影響因素

在制備錐形光纖過程中，端面切平的光纖一端垂直浸入制備好的光敏試劑中。勻速拉出后曝光，尖端的長度無明顯的變化趨勢;垂直浸入而不拉出時，增大曝光時間和曝光功率，生成尖端的長度顯著增大。說明此時尖端長度受端面附著光敏試劑高度的限制。在制錐方式上之所以選擇前者，是因為錐形尖端過長時極易彎曲，從而影響熒光的收集。

3.4 熒光收集效率對比

圖1為其他條件一定時不同曝光時間和曝光功率下制成的錐形光纖和平切光（0μW，0s）收集到的后向散射熒光的光譜圖。理論上，倏逝波擴散出光纖尖端邊界，與錐形光纖上涂覆的包埋熒光試劑相互作用。對比于端口切平光纖，倏逝波擴展的廣度和強度得到增加，從而表現為熒光信號收集效率的增加[7]。

可以觀察到，錐形光纖收集到的熒光強度受聚合物尖端形狀參數的影響。25μW的曝光功率及5s的曝光時間下，尖端高度約為34.6μm，尖端基底徑約為11.7μm，尖端的曲率半徑約為4.1μm。由圖1可知，該尺寸的錐形光纖收集到的熒光強度比平切光纖高約9.60倍，非常適用于熒光信號的收集。

4 結束語

與傳統的端面切平的光纖傳感頭相比，PTOF可以收集更多的熒光信號并提高靈敏度。本文對端面切平的光纖以及不同尺寸的錐形光纖進行了對比，在25μw，5s條件下生成錐形微納光纖有較好的熒光收集效率，約為端面切平光纖的9.6倍。可以實現光纖傳感器的優化設計，提高投入檢測時光纖傳感器的靈敏度。

參考文獻：

[1]薛春榮，侯海虹，等.錐形光纖的分析與仿真[J].激光與紅外， 2007，21（4）：71-74.

[2]Chu F， Cheng F， Bian Z， et al. Explosive sensing by using polymer tip on the end of optical fiber[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics，2017，141：10-15.

[3]吳雪梅，董興法，姜莉.基于拉錐光纖優化的光纖環鏡濾波器特性研究[J].激光技術，2015，39（6）.

[4]R. Bachelot， S. Blaize， et al.， Polymer-tipped optical fibers [J]. Fiber and Integrated Optics. 27（6），542-558（2008）.

[5]吳遠大.光敏雜化溶膠-凝膠法研制多模干涉波導分束器[J].光電子激光，2010，21（10）：1452-1454.

[6]Kenneth G，戴壯，董方田.熒光素及影響其熒光現象的理化因素[J].國外醫學：眼科學分冊，1984（5）：16-22.

[7]Y. Yuan， L. Ding. Theoretical investigation for excitation light and fluorescence signal of fiber optical sensor using tapered fiber tip[J]. Optics Express.19（22），21515-21523（2011）.