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糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)的制備及特性研究

2023-10-19 10:36:37李敏白茹冰叢愛民梁宇宏王斐儒
赤峰學院學報·自然科學版 2023年9期
關(guān)鍵詞:聚合物溫度

李敏 白茹冰 叢愛民 梁宇宏 王斐儒

摘 要:全光纖錐形溫度傳感結(jié)構(gòu)受到二氧化硅材料本身限制,溫度靈敏度不高。光纖錐結(jié)合與溫敏材料制備的傳感器,雖靈敏度有所提高,但集成度較差。本文采用熔融拉錐技術(shù)制備光纖錐,并在錐上均勻涂覆聚合物微球,紫外光固化技術(shù)將聚合物微球與光纖錐集成為一體制備高集成、高靈敏的糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)。干涉譜存在低頻峰和高頻峰,低通濾波得到低頻干涉譜。并監(jiān)測1475nm附近干涉峰隨溫度的變化情況,當環(huán)境溫度在30℃到55℃范圍變化時,該結(jié)構(gòu)的靈敏度可達0.1182dB/℃。

關(guān)鍵詞:光纖傳感;光纖錐;聚合物;溫度;熔融拉錐

中圖分類號:TN253;TP212? 文獻標識碼:A? 文章編號:1673-260X(2023)09-0027-04

1 引言

光纖溫度傳感器可以實現(xiàn)環(huán)境溫度的高靈敏傳感探測[1-3],在電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)等眾多領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)根據(jù)光是否發(fā)生干涉分為干涉型和非干涉型。非干涉型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)主要利用布拉格光柵制備而成[4],其靈敏度在7~11pm/℃之間,該類結(jié)構(gòu)制備過程復雜且靈敏度不高。干涉型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)通常采用在光纖內(nèi)刻蝕微腔[5,6]、拉制光纖錐[7-9]、熔接不同類型光纖[10,11]等方式制備而成,該類結(jié)構(gòu)制作過程簡易、溫度傳感靈敏度較高,且易與新型熱敏功能性材料集成備成光纖溫度傳感結(jié)構(gòu),來進一步提高結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度,如液晶[12-14]、聚二甲基硅氧烷[15,16]、SU-8光刻膠[17,18]等。如王明月等人,利用液晶填充特種光纖設(shè)計光纖溫度傳感結(jié)構(gòu),其傳感結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度可達到21.06nm/℃,但該結(jié)構(gòu)的溫度檢測范圍窄,且液晶的流動性使得堵塞位置難以控制[13]。PDMS填充毛細管與光纖集成制作的溫度傳感結(jié)構(gòu),其制備過程簡單,溫度靈敏度高,但其體積過大且需要固化時間較長,在實際應(yīng)用中受限[15]。聚合物材料通過紫外曝光技術(shù)易于光纖材料快速集成,格外受到該領(lǐng)域研究者的喜愛。

本文采用簡單的熔融拉錐技術(shù)和紫外光固化技術(shù)制備一種基于聚合物微球的糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)。首先,通過簡單的熔融拉錐技術(shù)制備一個長2.3mm的錐形光纖;其次,在光纖錐上均勻點涂六個聚合物微球,聚合物微球的間距為125μm,聚合物微球的直徑為625μm,利用紫外光固化技術(shù)對光纖錐上的六個聚合物微球進行曝光,曝光后的聚合物微球交聯(lián)固化與光纖集成為一體,最終獲得一個基于聚合物微球的糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)。入射光在光纖錐的一側(cè)被分為兩束,兩束光分別在光纖錐和聚合物微球中向前傳輸,在光纖錐的另一側(cè)被耦合到光纖內(nèi)干涉疊加,得到該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜。透射干涉譜中存在低頻峰和高頻峰,對干涉譜進行傅里葉變換,濾掉高頻峰得到低頻干涉譜。對濾波后1475nm附近干涉峰A隨溫度變化的詳細信息進行監(jiān)測。當環(huán)境溫度在30℃到55℃之間變化時,該結(jié)構(gòu)具有很好的溫度響應(yīng)特性,其靈敏度可達0.1182dB/℃。該結(jié)構(gòu)體積小、靈敏度較高且易與光纖集成,在電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用前景。

2 制備過程和理論分析

2.1 制備過程

糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)是利用熔融拉錐技術(shù)制備一個光纖錐,并在光纖錐上涂覆六個聚合物微球制備而成。具體步驟如下:第一步,取兩根長度一致的單模光纖(SMF-28e+),纖芯直徑8μm,包層直徑125μm。用光纖鉗在兩根多模光纖的一側(cè)剝?nèi)ゼs1cm的涂覆層,露出光纖包層,用鏡頭紙蘸取酒精擦掉光纖上殘留的碎屑,并將露出包層的光纖結(jié)構(gòu)放在光纖切割機刀上把光纖的端面切平。第二步,將端面切平的兩段光纖固定在熔接機(KL-300T)的兩個V型槽內(nèi),通過手動清潔放電清理掉光纖端面上的碎屑,并把兩根單模光纖熔接在一起,手動清潔放電時間為300ms,手動補充放電定時880ms,電流強度為61bit。將兩段光纖熔接在一起后,再進行多次手動放電。手動放電的同時對光纖施加一個外力,使得光纖以一定的速度向兩側(cè)運動,經(jīng)多次放電,便可得到粗細均勻、長度為2.3mm的光纖錐形結(jié)構(gòu),將光纖錐形結(jié)構(gòu)從熔接機中取出并固定在一個中間鏤空的樣品架上,樣品架放置在光纖精密切割CCD系統(tǒng)下(XDC-10A-530HS),如圖1所示。

第三步,用點膠儀器取適量的液態(tài)聚合物材料(SU-8光刻膠),在光纖精密切割CCD系統(tǒng)下將聚合物材料涂抹在光纖錐結(jié)構(gòu)上制備糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)。首先在靠近光纖錐的一側(cè)涂抹液態(tài)聚合物材料,由于表面張力的作用,聚合物材料會包裹著光纖錐形成一個液態(tài)聚合物微球,用紫外光源(XP104)照射聚合物微球使其固化,照射時間40s,激光波長為365nm,激光曝光劑量為800mJ/cm2。聚合物材料由聚合物單體和光引發(fā)劑組成,在紫外光照射下,聚合物材料中的光引發(fā)劑吸收光子產(chǎn)生活性酸H+,活性酸可以使聚合物單體中含有的化學鍵打開并與其他單體化學鍵間進行結(jié)合重組,最終交聯(lián)為固態(tài)的聚合物微球[17]。利用上述同樣的方法在光纖錐上共制備六個同樣的、等間距的聚合物微球結(jié)構(gòu),聚合物微球與光纖錐集成為一體形成一個糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)。

糖葫蘆型光纖溫度傳感結(jié)構(gòu)的光學照片如圖2(a)所示。從圖2(a)中可觀察到,聚合物微球呈黃色,表面光滑,可以看到內(nèi)部包裹著的光纖錐結(jié)構(gòu)。聚合物微球在光纖錐上規(guī)律排列。光纖錐的長度為2.3mm,每兩個聚合物微球之間的光纖錐長為125μm,聚合物微球的直徑為625μm。將糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)放入溫控箱(CK-80G)內(nèi),并分別與寬帶光源(SC-5-FC)和光譜儀(AQ6370D)連接。入射光在光纖錐的一側(cè)被分成兩束,分別經(jīng)過光纖錐和聚合物微球后耦合到光纖內(nèi)干涉,最終獲得該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜。溫控箱的溫度被設(shè)定為30℃,待穩(wěn)定1分鐘后記錄該結(jié)構(gòu)的透射譜,如圖2(b)所示。從圖中可以看到,該結(jié)構(gòu)的干涉譜由低頻干涉峰和高頻干涉峰構(gòu)成。由于高頻干涉峰不利于在傳感測試中數(shù)據(jù)采集和處理,所以這里我們對干涉譜中的高頻信號進行濾波。

首先,對本實驗中光纖傳感結(jié)構(gòu)在30℃下的透射干涉譜進行傅里葉變換,變換后的頻譜圖如圖3(a)所示。從圖3(a)可知,該結(jié)構(gòu)的頻譜圖中包含兩個特征峰:峰A和峰B。峰A和峰B對應(yīng)的頻率分別為f1=0.00432Hz,f2=0.00862Hz;其次,對30℃下的透射干涉譜進行低通濾波,讓頻率低于0.00840 Hz的低頻信號通過,濾波后的透射干涉譜在圖3(b)中給出。從圖3(b)中可以看到,在測量波長范圍(900nm-1600nm)內(nèi),透射干涉譜中存在三個低頻特征峰。

2.2 傳感理論

入射光在光纖錐的一側(cè)被分為兩束,這兩束光分別在光纖錐和聚合物微球中向前傳輸,在光纖錐的另一側(cè)進行耦合疊加形成該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜。光纖錐中傳輸?shù)墓馐鳛樾灸?,聚合物微球中的光束作為包層模,?jīng)過一定的傳輸距離后,芯模與包層模間產(chǎn)生一定的光程差。根據(jù)干涉原理其相位差Δφ可以表示為[19]:

其中ncore是芯模有效折射率,nclad是包層模有效折射率,L是干涉長度,λ是光源的波長,m是干涉級數(shù)。由于二氧化硅和SU-8光刻膠均存在熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng),且SU-8光刻膠的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)較高,分別為-1.87×10-4/℃和52ppm/℃[17],因此,該結(jié)構(gòu)的有效折射率和干涉長度都將隨環(huán)境溫度變化而被調(diào)制。根據(jù)公式,芯模和包層模的相位差隨溫度變化而變化,最終表現(xiàn)為該結(jié)構(gòu)透射干涉譜的強度發(fā)生變化。通過記錄透射干涉譜中干涉峰強度的變化即可實現(xiàn)環(huán)境溫度的傳感測試。

3 實驗結(jié)果與討論

為了研究提出的糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)的溫度特性,搭建溫度測試裝置,測試裝置系統(tǒng)的示意圖如圖4所示。測試裝置系統(tǒng)分別由寬帶光源,光纖光譜儀和溫控箱組成。糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)置于溫控箱內(nèi)的樣品臺上,并分別與寬帶光源與光譜儀連接。

設(shè)置溫控箱的溫度從30℃到55℃之間以5℃為間隔變化,測量并記錄每個溫度下該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜,如圖5(a)所示。從圖5(a)中可看到,在測量波長范圍內(nèi),干涉峰A存在很好的溫度響應(yīng)特性,隨著溫度升高,干涉峰A光強的最小值逐漸變大,記錄干涉峰A在每個溫度下光強度的最小值,以溫度為橫坐標,干涉峰A的最小強度值為縱坐標,對干涉峰A的最小強度值進行線性擬合,擬合結(jié)果如圖5(b)所示。線性擬合結(jié)果表明,糖葫蘆型光纖傳感結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度為0.1182dB/℃,線性相關(guān)系數(shù)為0.9823。隨著溫度的升高,干涉峰A的對比度減小,根據(jù)該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜及傳感靈敏度可知,該結(jié)構(gòu)具有較高的測溫范圍,其測溫范圍主要由SU-8光刻膠材料本身的溫度工作范圍決定。

4 結(jié)論

綜上所述,本文實現(xiàn)了一種基于聚合物微結(jié)構(gòu)的糖葫蘆型光纖錐溫度傳感結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用點涂技術(shù)在光纖錐上涂抹六個液態(tài)的聚合物微球,六個聚合物微球通過紫外光固化技術(shù)集成在光纖錐上,實現(xiàn)了高靈敏的溫度傳感探測。光纖錐長為2.3mm,聚合物微球間距為125μm,聚合物微球的直徑為625μm。實驗結(jié)果表明,光纖傳感結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度可達0.1182dB/℃。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)光纖傳感結(jié)構(gòu)相比靈敏度高、體積小、集成度高,可在電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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