基于聚合物填充的微結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器

李 望,羅 韻,彭志清,馮國(guó)英

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

1 引 言

溫度作為環(huán)境變化的重要基本參數(shù),其快速精確的檢測(cè)方法備受科學(xué)界及工業(yè)界的關(guān)注。傳統(tǒng)的溫度傳感檢測(cè)技術(shù)存在分辨率低、解調(diào)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、易受環(huán)境干擾等缺點(diǎn),而光纖溫度傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)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(fù)用和高靈敏度等固有特性被廣泛研究[2]。FPI的光譜的波長(zhǎng)偏移或干涉條紋強(qiáng)度的變化與微腔的長(zhǎng)度(MCL)或折射率(RI)有關(guān)[3-4]。FPI作為反射式傳感器,可利用化學(xué)腐蝕、端面成膜以及特殊光纖拼接技術(shù)等方法在光纖的末端構(gòu)成微腔[5],也可利用飛秒激光加工等技術(shù)在光纖中形成[6-7]。

對(duì)于聚合物填充型FPI,溫度的改變使得填充物的RI和MCL發(fā)生改變,從而對(duì)光譜的干涉波長(zhǎng)和強(qiáng)度產(chǎn)生影響。Zhao等人將石墨烯量子點(diǎn)和聚乙烯醇的復(fù)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(shè)計(jì)了靈敏度高、重復(fù)性好的光纖傳感器[8-9],驗(yàn)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(xì)管中,并在毛細(xì)管中沉積一滴聚四氟乙烯共聚物(Nafion)溶液,構(gòu)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(xì)管中形成空氣微腔,實(shí)現(xiàn)了5.2 nm/℃的高靈敏度[11]。Cao等人制造了一種基于級(jí)聯(lián)的聚合物微氣泡腔的微型,在20～55 ℃的測(cè)量范圍內(nèi)靈敏度高達(dá)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(zhǎng)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(tài)填充FPI的溫度傳感探頭,利用液態(tài)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(shí)現(xiàn)了較高靈敏度,但結(jié)構(gòu)和制作工藝復(fù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(wěn)定干涉譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖腐蝕深度與時(shí)間具有一定的規(guī)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(shù)為 0.9588,且具有成本低,制造簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),適合批量制作。

2 基本原理

2.1 傳感機(jī)理

PMMA作為一種優(yōu)良的熱敏材料,具有良好的熱光學(xué)效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng),透光率達(dá)到92 %,且易于機(jī)械加工,變形溫度范圍為76～116 ℃。PMMA的熱響應(yīng)源于其熱膨脹效應(yīng)與光學(xué)效應(yīng)的疊加,干涉波谷波長(zhǎng)隨溫度的變化可表示為:

(1)

其中,dn0/dT為熱折射系數(shù),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(shù),表示微腔尺寸隨溫度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。外界參量(溫度,折射率,應(yīng)力等)的變化可通過(guò)影響FP腔的腔體長(zhǎng)度、腔體折射率等因素,導(dǎo)致其反射干涉譜波谷的波長(zhǎng)或強(qiáng)度發(fā)生變化,建立對(duì)應(yīng)關(guān)系就可實(shí)現(xiàn)傳感目的。

2.2 光學(xué)機(jī)理

本文提出的FPI傳感器結(jié)構(gòu)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(gè)反射面:光纖內(nèi)部凹槽-PMMA腔體接觸面和PMMA端面-外界環(huán)境接觸面,入射光會(huì)在兩個(gè)界面發(fā)生兩次菲涅爾反射。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

光強(qiáng)為I0的入射光經(jīng)過(guò)纖芯-PMMA形成的反射面M1時(shí),一部分光發(fā)生菲涅爾反射,反射光強(qiáng)為I1；另一部分光發(fā)生透射,透射光經(jīng)過(guò)PMMA-空氣形成的反射面M2時(shí)發(fā)生第二次菲涅爾反射,反射光強(qiáng)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(shí)發(fā)生干涉,輸出光強(qiáng)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(qiáng)度,相位差φ=4πn1L/λ,φ0為初始相位差;L為腔體有效長(zhǎng)度;λ為入射光源信號(hào)中心波長(zhǎng),當(dāng)φ12=(2m+1)π,m=0,1,2,3…,干涉強(qiáng)度得到極小值,輸出光強(qiáng)干涉譜的干涉峰波長(zhǎng)值可以表示為[17]:

(5)

3 傳感器制備

3.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)中使用的光纖為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF-28e,Corning)；光學(xué)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(jī)(FITEL S177)；光纖切割刀(FITEL S325A)；三端口光纖環(huán)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(duì)兩種材料腐蝕速率的不同可以得到不同深度與開(kāi)口大小的錐形凹槽。二氧化硅、二氧化鉻與HF的化學(xué)反應(yīng)可以由如下化學(xué)方程式表示:

SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O

GeO2+6HF→H2GeF6+2H2O

(6)

實(shí)驗(yàn)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(zhì)量濃度為40 %的HF溶液中,腐蝕一段時(shí)間后取出超聲清洗干燥各10 min,得到端面凹槽深度為L(zhǎng)的SMF,其中L可通過(guò)蝕刻時(shí)間控制。

為探究最佳蝕刻時(shí)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(fù)10組實(shí)驗(yàn)得到不同蝕刻時(shí)間下的凹槽深度,通過(guò)計(jì)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(kāi)口寬度、光纖尖端直徑與腐蝕時(shí)間之間的規(guī)律,不難看出,凹槽從纖芯處開(kāi)始出現(xiàn),當(dāng)腐蝕時(shí)間為5 min時(shí),纖芯處開(kāi)始出現(xiàn)明顯的凹槽,且隨著腐蝕時(shí)間的增加,凹槽的深度變長(zhǎng),凹槽的開(kāi)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。為了排除聚合物中空氣的影響,凝固過(guò)程中將傳感元件放置在真空機(jī)中抽取真空。所有制備過(guò)程均在室溫下進(jìn)行。

4 傳感實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 傳感實(shí)驗(yàn)裝置

本文提出并搭建的反射式傳感實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的裝置示意圖如圖3所示。其中,自發(fā)輻射寬譜ASE的有效波長(zhǎng)范圍為1510～1590 nm；OSA分辨率為0.02 nm；加熱控制臺(tái)的溫度在0～300 ℃可調(diào),可調(diào)精度為0.1 ℃；環(huán)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(cè)區(qū)受熱均勻,測(cè)試時(shí)在傳感元件與加熱平臺(tái)之間放置一塊載玻片；為避免外界環(huán)境溫度以及氣流對(duì)測(cè)量的影響,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用罩子罩住平臺(tái)；從ASE出射的光經(jīng)過(guò)環(huán)形器端口1進(jìn)入環(huán)形器并從端口2出射到達(dá)傳感元件,光在傳感元件端面經(jīng)過(guò)二次反射后產(chǎn)生干涉并重新從端口2進(jìn)入環(huán)形器,最終從端口3出射后傳輸至OSA進(jìn)行干涉光譜的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖3 傳感測(cè)試系統(tǒng)裝置示意圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)比較不同腐蝕深度的F-P聚合微腔傳感器的反射光譜,當(dāng)腐蝕時(shí)間7 min時(shí),腐蝕深度為8～9 μm時(shí),傳感器的自由光譜FSR最寬,消光比ER最小,此時(shí)傳感器的溫度傳感效果最佳。本文選取了最佳腐蝕時(shí)間的傳感器進(jìn)行70～86 ℃的溫度響應(yīng)實(shí)驗(yàn),溫度間隔為2～3 ℃。為確保測(cè)量的準(zhǔn)確性,每一次數(shù)據(jù)都在溫度保持恒定10 min后采集。選取了1560 nm波長(zhǎng)處波谷的溫度響應(yīng),經(jīng)過(guò)光強(qiáng)值的相應(yīng)處理,并作線性擬合,如圖4所示。

圖4 聚合物PMMA腔結(jié)構(gòu)傳感器溫度特性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)溫度從70 ℃上升至86 ℃時(shí),監(jiān)測(cè)波谷的波長(zhǎng)從1560.1 nm移動(dòng)至1557.2 nm,即發(fā)生了藍(lán)移,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符合。通過(guò)計(jì)算得到該傳感器的靈敏度約為182.5 pm/℃,線性擬合系數(shù)R2約為0.9588。

圖5展示了該傳感器在73 ℃下溫度響應(yīng)的時(shí)間穩(wěn)定性?？梢钥吹?傳感器持續(xù)檢測(cè)兩個(gè)小時(shí),其反射光譜譜仍能夠保持良好的穩(wěn)定性,監(jiān)測(cè)波谷的波長(zhǎng)恒定在1559.4 nm左右,未發(fā)生明顯漂移,證明了傳感器具有長(zhǎng)期檢測(cè)的應(yīng)用潛力。

圖5 傳感器時(shí)間穩(wěn)定性

5 結(jié) 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(yàn)證了一種新型的F-P干涉?zhèn)鞲刑筋^。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)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(yīng)將發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)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(jiǎn)單,價(jià)格低廉,長(zhǎng)期穩(wěn)定,體積小重量輕,測(cè)量方便快捷,具有批量生產(chǎn)的潛力,將是生物、化學(xué)傳感應(yīng)用的有力候選者。