从晶体状态到接近液态的过程中，含有向列型液晶的Sagnac干涉仪的热响应特性

《Optics & Laser Technology》：Thermal response characteristics of nematic liquid crystal-embedded Sagnac interferometer from crystalline state to approaching liquid state

NLC-嵌入式光纤萨格朗克干涉仪与FBG结合的温度传感器在-40至82.4°C范围内实现高灵敏度检测，结晶态灵敏度-2.77 nm/°C，各向同性态达-92.45 nm/°C，并揭示厚度依赖的相位变化规律及低温玻璃态转变特性。

　　

Jingxuan Xu|Hailiang Chen|Meiyu Cai|Sa Zhang|Ruyue Shi|Junling Hu|Bing Ma|Shuguang Li

中国燕山大学科学学院，亚稳态材料科学技术国家重点实验室与河北微结构材料物理重点实验室，秦皇岛 066004

摘要

向列液晶（NLCs）因其卓越的热光响应和可调的巨大双折射特性而成为超灵敏温度传感的有希望的平台。然而，NLC嵌入光纤的宽温度传感特性尚未得到充分探索，尤其是在结晶状态下。在本研究中，我们展示了一种新型光纤温度传感器，该传感器将NLC嵌入的萨格纳克干涉仪（SI）与光纤布拉格光栅（FBG）相结合。实验结果表明，这种集成光纤传感器的温度灵敏度非常出色。当NLC薄膜厚度为120 μm时，在结晶状态下（-40至-20°C），灵敏度为-2.77 nm/°C；在液晶状态下逐渐增加，最终在接近各向同性液晶状态时达到-92.45 nm/°C。本研究探讨了NLC的低温热行为，发现其在-20°C至-70°C范围内仍能保持有效的温度传感能力，而在该温度以下会转变为玻璃态。NLC薄膜的热响应灵敏度表现出依赖于厚度的准周期性变化，这可能进一步揭示了由摩擦扰动引起的分子取向机制。我们对NLC嵌入光纤中的萨格纳克干涉仪的热响应进行了全面研究，涵盖了结晶状态、液晶状态以及接近液晶状态的情况。凭借出色的光学调制能力和新颖的结晶态低温传感特性，这种传感器为高灵敏度光子学应用开辟了独特的机会。

引言

液晶（LCs），特别是向列液晶（NLCs），由于其独特的晶体各向异性和流体行为的结合，已成为出色的传感材料[1]、[2]、[3]、[4]。LCs对各种刺激（包括电场[8]、[9]、化学相互作用[10]、[11]、[12]以及生物标记物[13]、[14]、[15]）都能有效响应，在热监测方面也表现出同样令人印象深刻的能力。随着温度的升高，NLCs会经历从结晶态到液晶态的相变，最终在清亮点附近达到各向同性液晶态[16]。这种由温度驱动的双折射变化促进了创新的光学传感方法的发展。在当前的各种传感技术[17]、[18]、[19]、[20]中，光纤温度传感器因其抗电磁干扰、小型化设计、快速热响应和系统集成能力而备受重视。

干涉法和基于光栅的方法都已成功应用于光纤温度传感，每种方法都具有独特的性能特点。T. Paix?o等人使用飞秒激光在掺Er-MgO的光纤中制备了光纤布拉格光栅（FBG），在25–700°C的温度范围内显示出12.7 pm/°C的灵敏度，适用于光电应用[21]。尽管FBG具有宽温度范围监测能力，但其相对较低的灵敏度限制了其在精密应用中的使用[22]、[23]、[24]。光纤干涉配置，特别是法布里-珀罗干涉仪（FPI）[25]、[26]、萨格纳克干涉仪（SI）[28]、[29]、[30]和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）[31]、[32]、[33]、[34]，在先进的光学传感应用中显示出巨大潜力。Zhang等人通过紫外（UV）粘合剂功能化和在单模光纤（SMF）端面依次涂覆纳米TiO₂，开发了一种混合FPI传感器，显示出75.3 pm/°C的灵敏度，覆盖25–130°C的温度范围。然而，其需要365-nm UV激活的限制影响了其在实际应用中的部署。Ge等人通过在单模光纤芯中使用飞秒激光刻写并经过热处理，制造了一种在线MZI传感器[36]，该传感器在100–400°C范围内保持23.88 pm/°C的灵敏度，在1000°C下退火后，在400–1000°C范围内保持33.5 pm/°C的灵敏度，但仍有进一步提高灵敏度的需求。Fan等人在萨格纳克环内的SMF微间隙中集成了向列液晶（NLC）薄膜[37]，该设备在2.2–50.2°C范围内实现了-9.34 nm/°C的灵敏度，但自由光谱范围（FSR）的限制限制了其最大测量范围。基于萨格纳克的干涉仪在温度传感方面表现出优于其他架构的能力。然而，仍需进一步改进以扩展操作温度范围，以便在极端环境中使用。

本研究提出了一种光纤温度传感架构，将NLC嵌入的萨格纳克干涉仪与FBG相结合，利用了它们的互补优势。首次对NLC薄膜嵌入光纤SI在其相变过程中的热响应进行了全面研究，涵盖了从结晶态到液晶态以及接近各向同性液晶态的过程。该传感器利用FBG的波长标记来消除多FSR干涉的歧义，从而实现了从-40°C到82.4°C的扩展操作范围，同时不牺牲NLC嵌入SI的高灵敏度。值得注意的是，NLC的温度灵敏度随着温度的升高而逐步增强，从结晶状态下的-2.77 nm/°C（-40至-20°C）增加到接近清亮点时的峰值-92.45 nm/°C（约82°C）。实验表明，NLC薄膜厚度变化引起的热灵敏度的准周期性调制有助于定制传感器设计，并进一步阐明了由摩擦扰动引起的分子取向机制。此外，本研究还探讨了NLC在低温条件下的热行为，证实了其在-20°C至-70°C范围内的稳定温度传感功能，并捕捉到了温度进一步降低时的玻璃态转变现象。利用这些优异的热响应特性，该设计结合了高灵敏度、宽温度稳定性和易于制造的优点。

实验装置

本研究使用了向列液晶（NLC，BaYi Space Inc., BHR40300）作为传感介质。NLC从结晶态到液晶态的相变温度约为-20°C，而其转变为各向同性相的清亮点约为82°C。实验温度控制采用了一种热电制冷系统，能够实现最低温度-40°C，精度为±0.01°C。

NLC薄膜厚度对热响应的影响

为了表征NLC中的摩擦诱导分子排列，我们在22°C温度控制下旋转SMF之前和之后监测了包含FBG特征的光谱变化，如图2a所示。NLC注入后的初始光谱（红色曲线）显示平坦的传输光谱，表明NLC没有可测量的双折射。随后的SMF旋转产生了特征性的黑色曲线光谱，显示出明显的SI效应。

结论

本研究展示了一种基于NLC嵌入SI与FBG级联的高灵敏度光纤温度传感器。本研究首次全面分析了NLC薄膜嵌入光纤SI在相变过程中的热响应，涵盖了从结晶态到液晶态以及接近各向同性液晶态的过程。实验结果表明，NLC薄膜厚度引起的热响应的准周期性调制

CRediT作者贡献声明

Jingxuan Xu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，软件开发，方法论设计，数据分析，概念化。Hailiang Chen：监督，软件开发，资源调配，项目管理，资金获取，数据分析，概念化。Meiyu Cai：验证，监督，软件开发，资源调配，方法论设计，数据分析，概念化。Sa Zhang：监督，软件开发，数据收集，方法论设计，数据分析，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：12074331）、河北省自然科学基金（资助编号：F2021203112）以及河北先进激光技术与装备重点实验室开放项目（资助编号：HBKL-ALTE2025006）的支持。