基于暴露芯微结构光纤与PDMS的马赫-曾德尔干涉仪高性能温度传感器研究

为解决光纤温度传感器灵敏度与测量范围相互制约的难题，研究人员创新性地将暴露芯光纤(ECF)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合，构建了基于马赫-曾德尔干涉仪的单结构传感器。通过快速傅里叶变换(FFT)和带通滤波技术分离三重干涉谱，实现了8.2 nm/℃的高灵敏度或160℃的大范围测量，显著优于传统级联式传感器，为高性能温度监测提供了新方案。

　　

在光纤传感领域，温度测量始终面临灵敏度与测量范围难以兼得的困境。传统光纤布拉格光栅(FBG)虽结构简单，但其灵敏度通常不足1 nm/℃，而法布里-珀罗干涉仪(FPI)等器件又受限于自由光谱范围(FSR)与灵敏度的反比关系。更棘手的是，现有解决方案多依赖FBG与FPI的级联结构，导致设备体积庞大、复杂度高。这一矛盾在工业高温监测、生物医疗等需要宽温域高精度测量的场景中尤为突出。

针对这一挑战，深圳的研究团队独辟蹊径，利用暴露芯微结构光纤(ECF)的开放式腔体特性与聚二甲基硅氧烷(PDMS)的高热光系数，设计出单结构集成式马赫-曾德尔干涉仪(MZI)温度传感器。该研究通过ECF的独特三波导结构激发芯模与包层模的三重干涉，结合PDMS涂覆层实现温度敏感层与参考层的功能集成。实验采用宽带光源(BBS)和光学频谱分析仪(OSA)采集透射谱，运用快速傅里叶变换(FFT)算法和带通滤波技术，首次在空间域实现了混合干涉谱的有效分离。

传感器结构及原理
ECF作为核心元件，其横截面显示四个空气孔中有一个被机械抛光开放，形成独特的"三叶草"结构。研究人员在ECF表面涂覆PDMS薄膜，利用其-3.94×10^-4/℃的热光系数构建温度敏感单元。光在ECF中传播时，同时激发芯模-包层模干涉、PDMS-空气模干涉以及PDMS-包层模干涉，形成三重干涉效应。通过理论推导证实，三种干涉对应的FSR分别为Δλ₁、Δλ₂和Δλ₃，其灵敏度与测量范围呈互补特性。

实验结果与讨论
对525μm、455μm和405μm三种ECF长度的传感器测试表明：通过FFT可清晰识别三个空间频率峰值，对应不同干涉机制。其中PDMS-包层模干涉谱展现8.2 nm/℃的高灵敏度，而芯模-包层模干涉谱则实现160℃的宽范围测量，两者性能均显著超越文献报道的级联式传感器。特别值得注意的是，该传感器在80-240℃区间呈现良好的线性响应，且PDMS涂覆使温度灵敏度提升近40倍。

结论与意义
这项发表于《Optical Fiber Technology》的研究突破性地在单传感器结构中实现了高灵敏度与大测量范围的统一，其创新性体现在三方面：一是利用ECF的开放结构实现PDMS精准涂覆；二是通过算法分离混合干涉谱，突破FSR限制；三是将传统需要级联元件实现的功能集成于单一结构。该技术为核电、航空航天等极端环境温度监测提供了新思路，其单结构设计理念对下一代光纤传感器研发具有重要启示。研究获得深圳市高校稳定支持计划和中国核工业集团领创项目的资助。