基于海藻酸钙水凝胶膜受限膨胀与游标效应协同增强的光纤法布里-珀罗湿度传感器

本研究成果创新性地将海藻酸钙（CaAlg）水凝胶与光纤法布里-珀罗干涉仪（FPI）结构相结合，通过半锥形空腔设计实现薄膜的定向弹性屈曲，并利用游标效应（Vernier effect）将湿度灵敏度显著提升至-7.19 nm/%RH。传感器在50%–95% RH范围内表现出优异的非线性响应特性（R2=0.998），同时具备低温度交叉敏感性（-0.369 nm/°C），为高精度湿度监测提供了可靠解决方案。

　　

Highlight

Sensor principle analysis

传感器原理如图1所示，由单模光纤（SMF）、空芯毛细管光纤（HCF）以及涂覆在HCF端面的海藻酸钙（CaAlg）水凝胶薄膜构成。CaAlg是通过钠藻酸盐与二价钙离子（Ca²⁺）发生离子交联形成的复合水凝胶，其三维网络结构中分布着均匀互联的纳米通道，赋予材料优异的湿度响应特性。

Sensor fabrication

传感器显微结构如图4所示。未涂覆的FPI空腔通过将单模光纤（SMF，纤芯/包层：9 μm/125 μm）与空芯毛细管光纤（HCF，内径/外径：75 μm/125 μm）熔接而成。使用商用熔接机（Fujikura FSM-40）进行熔接，并手动调整参数。为引入促进传感膜弹性屈曲的应力梯度，HCF内壁被制作成轻微锥形。该设计通过受限膨胀机制显著增强腔长变化。

Experimental setup

湿度测量实验装置如图5所示。传感FPI与参考FPI通过3 dB光纤耦合器并联连接到宽带光源（BBS）和光谱分析仪（OSA）。BBS（中国上海B&A公司）工作波长范围为1200–1700 nm。OSA（日本横河AQ6370D）提供0.02 nm的最小波长分辨率，覆盖600–1700 nm光谱范围。本实验将测量窗口设置为1520–1620 nm以优化游标条纹的观测。

Conclusion

本研究通过将CaAlg湿度敏感薄膜与游标增强型FPI结构相结合，成功开发出高灵敏度光纤湿度传感器。传感器包含两个并联的FP腔：由带CaAlg膜的SMF-HCF构成的湿度敏感腔，以及由SMF-HCF-SMF结构组成的参考FPI。在制备过程中，采用精密熔接技术对HCF内壁进行轻微锥度处理，CaAlg膜的受限膨胀过程进一步增强了腔长变化灵敏度。实验结果表明，该传感器在50–95% RH范围内呈现非线性立方响应，在95% RH环境下达到-7.19 nm/%RH的峰值灵敏度，多项式相关系数达0.998。同时具备-0.369 nm/°C的低温度交叉敏感性和良好的重复性。这种兼具长期稳定性、低成本和高灵敏度的检测系统在工农业领域具有重要应用潜力。