基于萨格纳克-法布里珀罗干涉仪级联的光纤游标传感器及其温湿度监测应用

本文创新性地将游标效应(Vernier effect)与飞秒激光技术结合，开发了基于偏振保持光纤(PMF)的萨格纳克干涉仪(SI)和石墨烯量子点-聚乙烯醇(GQDs-PVA)敏感材料的法布里珀罗干涉仪(FPI)级联传感器。实验表明该传感器在50.01-81.00%RH湿度范围灵敏度达2.97 nm/%RH，15-33℃温度区间灵敏度达-16.4~-15.3 nm/℃，响应时间仅6-10秒，在农作物生长环境监测和药品储存领域具有突出应用价值。

　　

亮点

• 首创SI-FPI级联结构实现温湿度双参数解耦测量

• GQDs-PVA复合膜湿度灵敏度较传统材料提升12.97倍

• 飞秒激光加工使FPI腔长精度达亚微米级

传感原理与仿真

如图1所示，当入射光在传感介质中传播时，会在FPI和SI结构中分别产生多光束干涉(Multi-beam interference)和偏振模干涉(Polarization mode interference)。通过精确控制PMF长度和FPI腔长，使两个干涉仪的自由光谱范围(FSR)形成特定比例，从而激发游标放大效应。理论模拟显示，当FSR_SI/FSR_FPI=1.2时，系统灵敏度可放大11.3倍。

湿度传感FPI制备工艺

采用飞秒激光微加工技术，将单模光纤(SMF-28)与75μm空心光纤熔接后，在端面旋涂GQDs-PVA纳米复合材料（图6）。通过FITEL S179光纤熔接机实现亚微米级对准，最终形成的FPI腔体在22.5℃下显示0.17nm/%RH的本征灵敏度，经游标效应放大后达到2.97nm/%RH。

传感器性能测试

在恒温(22.5±0.02℃)条件下，使用饱和盐溶液调控湿度环境。如图9所示，FPI干涉谱随湿度升高呈现规律性红移，在50.01-81.00%RH范围内线性度达0.996。温度测试显示三阶段灵敏度分别为-16.4nm/℃(15-21℃)、-16.0nm/℃(21-27℃)和-15.3nm/℃(27-33℃)，响应时间仅2秒。交叉敏感性实验证实温度对湿度测量的影响可忽略(<0.2%RH)。

结论

本研究开发的游标传感器通过SI-FPI级联结构和GQDs-PVA敏感材料创新，在保持快速响应(湿度8-10秒/温度2秒)的同时，实现了较同类传感器显著提升的检测灵敏度。特别适用于需要精密温控的疫苗存储(±0.02℃)和农业大棚监测(±0.2%RH)等场景。