基于聚合物填充的微結構光纖溫度傳感器

李 望,羅 韻,彭志清,馮國英

(1.四川大學電子信息學院 激光微納工程研究所,四川 成都 610065;2.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心,四川 綿陽 621900)

1 引 言

溫度作為環境變化的重要基本參數,其快速精確的檢測方法備受科學界及工業界的關注。傳統的溫度傳感檢測技術存在分辨率低、解調復雜、價格昂貴、易受環境干擾等缺點,而光纖溫度傳感器具有體積小、質量輕、響應快、抗電磁干擾能力強等優點,被應用于多個領域[1]。在各類光纖溫度傳感器中,基于改變干涉腔表面反射率或光程差的光纖法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Pérot interferometer,FPI)因具有多路復用和高靈敏度等固有特性被廣泛研究[2]。FPI的光譜的波長偏移或干涉條紋強度的變化與微腔的長度(MCL)或折射率(RI)有關[3-4]。FPI作為反射式傳感器,可利用化學腐蝕、端面成膜以及特殊光纖拼接技術等方法在光纖的末端構成微腔[5],也可利用飛秒激光加工等技術在光纖中形成[6-7]。

對于聚合物填充型FPI,溫度的改變使得填充物的RI和MCL發生改變,從而對光譜的干涉波長和強度產生影響。Zhao等人將石墨烯量子點和聚乙烯醇的復合材料(GQDs-PVA)填充到空芯光纖中,Lang等人在纖芯端面上制備了紫外固化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物微棒,濕度的改變使材料的RI和MCL改變,由此設計了靈敏度高、重復性好的光纖傳感器[8-9],驗證了聚合物填充型FPI的傳感原理與可行性。Liu等人將單模光纖插入毛細管中,并在毛細管中沉積一滴聚四氟乙烯共聚物(Nafion)溶液,構建了靈敏度為2.71 nm/℃的光纖溫度傳感器[10]。Zhang等人將光纖插入部分填充聚合物的毛細管中形成空氣微腔,實現了5.2 nm/℃的高靈敏度[11]。Cao等人制造了一種基于級聯的聚合物微氣泡腔的微型,在20～55 ℃的測量范圍內靈敏度高達5.013 nm/℃[12]。Chen等人將空芯光纖與單模光纖熔接,并向空芯光纖中填充二甲基硅氧烷(PDMS),得到靈敏度為2.7035 nm/℃的空氣微泡FPI[13]。另外Li等人利用PDMS的熱膨脹作用可改變微腔長度的特性,還提出了高靈敏度的氫傳感器[14]。Li等人提出了一種緊湊型液態填充FPI的溫度傳感探頭,利用液態聚合物的熱膨脹作用得到了靈敏度為877 pm/℃的溫度傳感器[15]。上述傳感器均實現了較高靈敏度,但結構和制作工藝復雜,且成本昂貴、不適合批量制造。

本文提出了一種基于聚合物填充微腔FPI的光纖溫度傳感器:使用質量分數為40 %的氫氟酸溶液在單模光纖端面腐蝕一定深度的凹槽后,用一定濃度的PMMA將腐蝕后的空腔填滿,從而制成聚合物填充F-P微腔的傳感元件,并研究了其溫度傳感特性,獲得了隨溫度明顯變化的穩定干涉譜。實驗結果表明,光纖腐蝕深度與時間具有一定的規律,該傳感器可以獲得較大的溫度靈敏度及較好的線性擬合度,線性擬合系數為 0.9588,且具有成本低,制造簡單的優點,適合批量制作。

2 基本原理

2.1 傳感機理

PMMA作為一種優良的熱敏材料,具有良好的熱光學效應和熱膨脹效應,透光率達到92 %,且易于機械加工,變形溫度范圍為76～116 ℃。PMMA的熱響應源于其熱膨脹效應與光學效應的疊加,干涉波谷波長隨溫度的變化可表示為:

(1)

其中,dn0/dT為熱折射系數,表示腔體材料折射率隨溫度改變的變化率；dL/dT為熱膨脹系數,表示微腔尺寸隨溫度變化的對應關系。外界參量(溫度,折射率,應力等)的變化可通過影響FP腔的腔體長度、腔體折射率等因素,導致其反射干涉譜波谷的波長或強度發生變化,建立對應關系就可實現傳感目的。

2.2 光學機理

本文提出的FPI傳感器結構及工作原理如圖1所示。它主要由腐蝕一定深度的光纖凹型槽和PMMA腔體組成。PMMA、光纖和空氣的折射率不同,形成了兩個反射面:光纖內部凹槽-PMMA腔體接觸面和PMMA端面-外界環境接觸面,入射光會在兩個界面發生兩次菲涅爾反射。

圖1 傳感器結構示意圖

光強為I0的入射光經過纖芯-PMMA形成的反射面M1時,一部分光發生菲涅爾反射,反射光強為I1；另一部分光發生透射,透射光經過PMMA-空氣形成的反射面M2時發生第二次菲涅爾反射,反射光強為I2。I1和I2分別表示為[13]:

I1=I0R1,I2=I0(1-R1)R2(1-α)

(2)

其中,R1和R2分別為M1和M2的反射率;α是腔體的損耗,由菲涅爾反射原理可得[13]:

(3)

其中,n0為空氣折射率;n1為PMMA的折射率;n2為纖芯的折射率。考慮到二氧化硅/空氣和聚合物/空氣界面的低反射率,這些表面的高階反射可以被忽略[16]。

由于兩束反射光I1和I2存在相位差,因此在纖芯中匯聚時發生干涉,輸出光強可表示為:

=I0[R1+(1-R1)R2(1-α)+

(4)

其中,I1和I2分別為兩束反射光的強度,相位差φ=4πn1L/λ,φ0為初始相位差;L為腔體有效長度;λ為入射光源信號中心波長,當φ12=(2m+1)π,m=0,1,2,3…,干涉強度得到極小值,輸出光強干涉譜的干涉峰波長值可以表示為[17]:

(5)

3 傳感器制備

3.1 試劑與儀器

實驗中使用的光纖為標準單模光纖(SMF-28e,Corning)；光學顯微鏡(基恩士 VHX-600)；氫氟酸(≥40 %)；PMMA晶體顆粒(Sigma-Aldrich)；丙酮(成都市科龍化工)；ASE光源(光譜范圍1510～1590 nm)；光譜分析儀(OSA;Yokogawa AQ6370C)；光纖熔接機(FITEL S177)；光纖切割刀(FITEL S325A)；三端口光纖環形器(Cofiber 1550)；加熱控制器(EHC-100)；DZF型真空干燥箱。

3.2 聚合物F-P微腔的制備

由于單模光纖纖芯材料為摻雜二氧化鉻的二氧化硅,包層材料為純二氧化硅,利用HF對兩種材料腐蝕速率的不同可以得到不同深度與開口大小的錐形凹槽。二氧化硅、二氧化鉻與HF的化學反應可以由如下化學方程式表示:

SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O

GeO2+6HF→H2GeF6+2H2O

(6)

實驗先選取一段完整的SMF并去除尖端涂覆層,用光纖切割刀將端面切平后固定在光纖支架上,并垂直浸入質量濃度為40 %的HF溶液中,腐蝕一段時間后取出超聲清洗干燥各10 min,得到端面凹槽深度為L的SMF,其中L可通過蝕刻時間控制。

為探究最佳蝕刻時間,本文以6根去除尖端涂覆層的SMF垂直浸入HF溶液中分別腐蝕5 min,7 min,9 min,11 min,13 min,15min,重復10組實驗得到不同蝕刻時間下的凹槽深度,通過計算平均值可得深度L分別為6.78 μm,8.35 μm,9.75 μm,13.94 μm,14.93 μm,17.12 μm,凹槽端面圖如圖2(a)所示。圖2(b)為蝕刻凹槽的深度、開口寬度、光纖尖端直徑與腐蝕時間之間的規律,不難看出,凹槽從纖芯處開始出現,當腐蝕時間為5 min時,纖芯處開始出現明顯的凹槽,且隨著腐蝕時間的增加,凹槽的深度變長,凹槽的開口直徑增大。

圖2 SMF尖端基本腐蝕特性

為制備PMMA填充型FP微腔,將濃度為0.125 g/mL的PMMA溶液(溶劑為丙酮溶液)轉移到凹槽中,凝固后便在光纖尖端形成了聚合物填充型微腔結構。為了排除聚合物中空氣的影響,凝固過程中將傳感元件放置在真空機中抽取真空。所有制備過程均在室溫下進行。

4 傳感實驗測試

4.1 傳感實驗裝置

本文提出并搭建的反射式傳感實驗測試系統的裝置示意圖如圖3所示。其中,自發輻射寬譜ASE的有效波長范圍為1510～1590 nm；OSA分辨率為0.02 nm；加熱控制臺的溫度在0～300 ℃可調,可調精度為0.1 ℃；環形器的端口1、2、3分別與ASE、傳感元件、OSA連接,所有端口均由單模光纖跳線連接；為使感測區受熱均勻,測試時在傳感元件與加熱平臺之間放置一塊載玻片；為避免外界環境溫度以及氣流對測量的影響,實驗過程中用罩子罩住平臺；從ASE出射的光經過環形器端口1進入環形器并從端口2出射到達傳感元件,光在傳感元件端面經過二次反射后產生干涉并重新從端口2進入環形器,最終從端口3出射后傳輸至OSA進行干涉光譜的實時檢測。

圖3 傳感測試系統裝置示意圖

4.2 實驗結果與分析

通過比較不同腐蝕深度的F-P聚合微腔傳感器的反射光譜,當腐蝕時間7 min時,腐蝕深度為8～9 μm時,傳感器的自由光譜FSR最寬,消光比ER最小,此時傳感器的溫度傳感效果最佳。本文選取了最佳腐蝕時間的傳感器進行70～86 ℃的溫度響應實驗,溫度間隔為2～3 ℃。為確保測量的準確性,每一次數據都在溫度保持恒定10 min后采集。選取了1560 nm波長處波谷的溫度響應,經過光強值的相應處理,并作線性擬合,如圖4所示。

圖4 聚合物PMMA腔結構傳感器溫度特性

實驗結果表明,當溫度從70 ℃上升至86 ℃時,監測波谷的波長從1560.1 nm移動至1557.2 nm,即發生了藍移,實驗結果與理論相符合。通過計算得到該傳感器的靈敏度約為182.5 pm/℃,線性擬合系數R2約為0.9588。

圖5展示了該傳感器在73 ℃下溫度響應的時間穩定性。可以看到,傳感器持續檢測兩個小時,其反射光譜譜仍能夠保持良好的穩定性,監測波谷的波長恒定在1559.4 nm左右,未發生明顯漂移,證明了傳感器具有長期檢測的應用潛力。

圖5 傳感器時間穩定性

5 結 論

總之,本文采用HF直接腐蝕,熱敏聚合物材料PMMA固化填充等工藝,提出并驗證了一種新型的F-P干涉傳感探頭。通過實驗優化了腐蝕深度。制備的溫度傳感器中干涉峰/谷的位置由于聚合物的熱效應將發生變化,實現了在70～86 ℃溫度范圍182.5 pm/℃的靈敏度,線性擬合度為0.9588。該傳感器制備工藝簡單,價格低廉,長期穩定,體積小重量輕,測量方便快捷,具有批量生產的潛力,將是生物、化學傳感應用的有力候選者。