CN113108938B - 一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头，光纤本体内部具有纤芯，光纤本体一端设有固体法布里‑珀罗谐振腔和液体法布里‑珀罗谐振腔，固体法布里‑珀罗谐振腔和液体法布里‑珀罗谐振腔并列布置且与纤芯端面对应通过在光纤本体端部并列形成液、固聚合物微腔形成法布里‑珀罗谐振腔，其腔长接近但不相同，产生游标效应，干涉谱中出现包络和高频干涉条纹，环境温度变化引起聚合物微腔的折射率和腔长发生改变，从而对干涉光信号进行调制，通过对反射光谱中包络和高频精细条纹解调，实现超高灵敏的温度传感。本发明还提出一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法。

Description

一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤温度传感探头技术领域，尤其涉及一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头及其制备方法。

背景技术

光纤温度传感器因体积小、重量轻和抗电磁干扰等特点受到人们的关注。其中，法布里-珀罗干涉仪光纤温度传感器结构紧凑、测量方便而备受关注。这些传感器大多基于二氧化硅的热膨胀和热光效应实现温度的传感探测。而纯光纤材料的热膨胀系数和热光系数仅为5.5×10-7/℃和1.0×10-5/℃，因此这类传感器的温度灵敏度相对较低。最近，通过将具有高热膨胀和热光系数的材料与光纤集成制备的法布里-珀罗干涉仪，其温度灵敏度相比于传统的光纤温度传感器得到显著提高。但受到材料固有特性的限制，灵敏度很难再有进一步提高。

此外，通常采用级联方式制备光纤温度传感器的法布里-珀罗腔，这种制备方法都不能精确控制腔长，重复性差，且制备出的光纤探头尺寸较大，限制了其在实际生产生活中的应用。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头及其制备方法。

本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头，包括：光纤本体；

光纤本体内部具有纤芯，光纤本体一端设有固体法布里-珀罗谐振腔和液体法布里-珀罗谐振腔，固体法布里-珀罗谐振腔和液体法布里-珀罗谐振腔并列布置且与纤芯端面对应。

优选地，光纤本体一端设有聚合物结构，聚合物结构在光纤本体一端形成空腔，所述空腔内填充有液体。

优选地，所述空腔内填充有液态聚合物。

优选地，光纤本体采用单模光纤。

本发明中，所提出的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头，光纤本体内部具有纤芯，光纤本体一端设有固体法布里-珀罗谐振腔和液体法布里-珀罗谐振腔，固体法布里-珀罗谐振腔和液体法布里-珀罗谐振腔并列布置且与纤芯端面对应。通过上述优化设计的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头，端部并列的液、固聚合物微腔形成法布里-珀罗谐振腔，其腔长接近但不相同，产生游标效应，干涉谱中出现包络和高频干涉条纹，环境温度变化引起聚合物微腔的折射率和腔长发生改变，从而对干涉光信号进行调制，通过对反射光谱中包络和高频精细条纹解调，实现超高灵敏的温度传感。

本发明还提出一种根据上述基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，包括下列步骤：

S1、在基底表面滴紫外固化胶，将光纤本体一端插入到聚合物液滴中，在沿所述光纤本体端面形成液态固化胶凸起；

S2、通过飞秒激光对所述液态固化胶凸起进行曝光，通过控制飞秒激光在液态固化胶凸起上的扫描路径形成聚合物结构，所述聚合物结构内部形成并列布置的固体法布里-珀罗谐振腔和液体法布里-珀罗谐振腔。

优选地，在S1中，所述在基底表面滴紫外固化胶后，通过旋涂，在基底表面形成固化胶膜；

优选地，所述固化胶膜的厚度为150-200μm。

优选地，在S1中，所述将光纤本体一端插入到聚合物液滴中，具体为，将所述光纤本体一端竖直插入所述固化胶膜内，且所述光纤本体下端与所述基底表面间隔预设距离，并停留预设时间。

优选地，在S2中，在通过飞秒激光对所述液态固化胶凸起进行曝光之前，对所述液态固化胶凸起进行预烘干；

优选地，预烘干处理的温度分别为65℃-95℃，预烘干时间为15-45分钟。

优选地，还包括下列步骤：

S3、对固化后的聚合物结构进行后烘干处理；

优选地，后烘干处理的温度分别为65℃-95℃，后烘干时间为15-45分钟。

优选地，还包括下列步骤：S4、通过显影液清洗所述聚合物结构表面未固化的固化胶。

本发明中，所提出的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的其制备方法，通过飞秒激光对所述液态固化胶凸起进行曝光，通过控制飞秒激光在液态固化胶凸起上的扫描路径形成聚合物结构，在所述聚合物结构内部形成并列布置的固体法布里-珀罗谐振腔和液体法布里-珀罗谐振腔；所述制备方法制备尺寸范围精确可控，重复性好，保证探头的高灵敏度。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的结构示意图。

图2为本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的探测设备连接图。

图3为本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的探测光路图。

图4所示为本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的反射光谱图。

具体实施方式

如图1至4所示，图1为本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头及其制备方法的结构示意图，图2为本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的探测设备连接图，图3为本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的探测光路图，图4所示为本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的反射光谱图。

参照图1，本发明提出的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头，一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头，其特征在于，包括：光纤本体1；

光纤本体1内部具有纤芯11，光纤本体1一端设有固体法布里-珀罗谐振腔2和液体法布里-珀罗谐振腔3，固体法布里-珀罗谐振腔2和液体法布里-珀罗谐振腔3并列布置且与纤芯11端面对应。

在光纤本体的选择中，光纤本体1采用单模光纤。

为了详细说明本实施例的一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的具体结构，本实施例还提出一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，包括下列步骤：

S1、在基底表面滴紫外固化胶，将光纤本体1一端插入到聚合物液滴中，在沿所述光纤本体1端面形成液态固化胶凸起；

具体地，在S1中，所述在基底表面滴紫外固化胶后，通过旋涂，在基底表面形成固化胶膜；优选地，所述固化胶膜的厚度为150-200μm。

此外，将所述光纤本体1一端竖直插入所述固化胶膜内，且所述光纤本体1下端与所述基底表面间隔预设距离，并停留预设时间，然后垂直并缓慢的将光纤本体提拉，从而在光纤本体端面蘸取一个半球形光刻胶薄膜。

在本实施例中，紫外固化胶可选择型号为SU-8(GM 1070)。

S2、通过飞秒激光对所述液态固化胶凸起进行曝光，通过控制飞秒激光在液态固化胶凸起上的扫描路径形成聚合物结构4，所述聚合物结构4内部形成并列布置的固体法布里-珀罗谐振腔2和液体法布里-珀罗谐振腔3。

具体地，在S2中，在通过飞秒激光对所述液态固化胶凸起进行曝光之前，对所述液态固化胶凸起进行预烘干，使光刻胶中溶剂挥发；在烘干温度时间选择中，预烘干处理的温度为65℃-95℃，预烘干时间为15-45分钟。预烘干后的单模光纤垂直固定于飞秒激光双光子聚合系统的电控三维加工平台上，计算机程序控制激光焦点在光刻胶内的扫描路径，对光纤端面聚合物薄膜曝光，制备并联的液-固聚合物微腔。

此外，曝光后的光纤温度传感探头置于烘干箱内，进行后烘干处理；经后烘干的光纤本体完全置于显影液中显影，曝光的聚合物交联固化形成固态聚合物微腔，并与单模光纤端面连接。固态聚合物微腔内部未曝光的光刻胶被密封在腔内，外部未曝光的光刻胶溶于显影液。

本实施例的飞秒激光的具体参数设置中，飞秒激光的重复频率为76MHz，波长为800nm，功率为30mW；优选地，光阑直径为2mm；飞秒激光器产生的激光经透镜进行聚焦，透镜的放大倍率为50，透镜的数值孔径为0.8。

本实施例的三维移动平台，其扫描速度为80μm/s。

本实施例中，飞秒激光对紫外固化胶逐层扫描，首先激光焦点在光纤端面的光刻胶内的平面扫描，然后向远离光纤端面的方向逐层扫描，形成具有开口的聚合物微腔，最后在开口腔正上方扫描聚合物薄膜对开口腔封口，从而形成聚合物结构。

通过上述制备方法制备的光纤探头结构，光纤本体1一端设有聚合物结构4，聚合物结构4在光纤本体1一端形成空腔，所述空腔内填充有液态聚合物，从而在聚合物结构4的固态部分形成固体法布里-珀罗谐振腔2，并且所述空腔内的液态聚合物形成液体法布里-珀罗谐振腔3。

如图2和3所示，在本实施例的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的具体工作方式中，传感探头应用于环境温度测量时，传感探头通过环形器分别与宽带光源和光纤光谱仪相连，单模光纤的出射光分别在界面a、b发生反射和透射，透射光继续向前传播到达界面c和d再次发生反射。反射光到达界面a和b发生透射重新耦合到纤芯中，分别获得液态和固态聚合物腔的反射干涉谱，两谐振腔干涉谱叠加后获得最终干涉图样。

图4所示为本发明传感探头的反射光谱图，通过图4可以看出，本实施例的传感探头测试出的干涉谱具有显著的包络和高频干涉峰。当环境温度发生变化，分别检测包络和高频干涉峰的波长漂移，实现环境温度的高灵敏传感。

在具体探测过程中，液-固聚合物微腔在单模光纤端面形成两个并联的法布里-珀罗谐振腔，其光程非常接近但不相同，同时，两腔界面刚好位于单模光纤纤芯的中间位置，入射光进入两个法布里-珀罗谐振腔，分别在两个谐振腔的反射面发生反射，反射光干涉形成各自的干涉谱，两干涉谱的自由光谱范围差异很小，叠加后干涉谱出现包络和高频干涉峰，产生游标效应。当环境温度发生变化时，因聚合物材料存在热膨胀和热光效应，所以聚合物微腔的体积和折射率随温度变化发生改变，从而引起反射干涉谱中包络和高频峰的波长漂移，通过跟踪反射光谱中包络和高频峰的波长漂移量，实现高灵敏的温度传感。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头，其特征在于，包括：光纤本体（1）；

光纤本体（1）内部具有纤芯（11），光纤本体（1）一端设有固体法布里-珀罗谐振腔（2）和液体法布里-珀罗谐振腔（3），固体法布里-珀罗谐振腔（2）和液体法布里-珀罗谐振腔（3）并列布置且与纤芯（11）端面对应；

光纤本体（1）一端设有聚合物结构（4），所述聚合物结构（4）内部形成并列布置的固体法布里-珀罗谐振腔（2）和液体法布里-珀罗谐振腔（3）。

2.根据权利要求1所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头，其特征在于，光纤本体（1）采用单模光纤。

3.一种根据权利要求1或2所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1、在基底表面滴紫外固化胶，将光纤本体（1）一端插入到聚合物液滴中，在沿所述光纤本体（1）端面形成液态固化胶凸起；

S2、通过飞秒激光对所述液态固化胶凸起进行曝光，通过控制飞秒激光在液态固化胶凸起上的扫描路径形成聚合物结构（4），所述聚合物结构（4）内部形成并列布置的固体法布里-珀罗谐振腔（2）和液体法布里-珀罗谐振腔（3）。

4.根据权利要求3所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于，在S1中，所述在基底表面滴紫外固化胶后，通过旋涂，在基底表面形成固化胶膜。

5.根据权利要求4所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于，所述固化胶膜的厚度为150-200μm。

6.根据权利要求4所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于，在S1中，所述将光纤本体（1）一端插入到聚合物液滴中，具体为，将所述光纤本体（1）一端竖直插入所述固化胶膜内，且所述光纤本体（1）下端与所述基底表面间隔预设距离，并停留预设时间。

7.根据权利要求3所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于，在S2中，在通过飞秒激光对所述液态固化胶凸起进行曝光之前，对所述液态固化胶凸起进行预烘干。

8.根据权利要求7所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于，预烘干处理的温度分别为65℃-95℃，预烘干时间为15-45分钟。

9.根据权利要求3所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于，还包括下列步骤：

S3、对固化后的聚合物结构（4）进行后烘干处理。

10.根据权利要求9所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于，后烘干处理的温度分别为65℃-95℃，后烘干时间为15-45分钟。

11.根据权利要求9所述的基于并联聚合物微腔的光纤温度传感探头的制备方法，其特征在于，还包括下列步骤：S4、通过显影液清洗所述聚合物结构（4）表面未固化的固化胶。