基于Fabry-Pérot干涉仪的高度稳定且超紧凑型光纤尖端温度传感器，该干涉仪外层包裹有聚二甲基硅氧烷

《Optical Fiber Technology》：Highly stable and ultracompact optical-fiber-tip temperature sensor based on the Fabry-Pérot interferometer wrapped with polydimethylsiloxane

微气泡封装法布里-珀罗干涉仪通过物理包裹和熔接技术实现，具有-6.818×10?2 dB/°C的高温灵敏度（比纯微气泡传感器高10倍），结构紧凑、工艺简单且稳定性优异，适用于生物制药和环境监测等领域。

　　

潘萌|吕京伟|王建新|李仁峰|李良亮|孔伟杰|刘伟|刘强|Paul K Chu|刘超

中国东北石油大学物理与电子工程学院，大庆163318

摘要

我们制备了一种超紧凑型的Fabry-Pérot（FP）干涉仪，该干涉仪将微气泡与聚二甲基硅氧烷（PDMS）端盖结合在一起，采用物理包裹和熔接技术实现，用于检测环境温度。这种机械强度高的聚合物端盖平均直径为0.5厘米。该端盖传感器的温度灵敏度高达?6.818 × 10^?2 dB/°C，是仅使用微气泡而未封装PDMS的传感器的10倍。由于其简单的制造工艺、高灵敏度、快速响应和良好的稳定性，这种温度传感器在生物制药、化学和环境行业中具有显著的应用潜力。

引言

温度监测在生物、化学和医学领域中起着关键作用，能够实现精确控制并确保系统可靠性[1]、[2]、[3]。近年来，光纤温度传感器因其长期监测稳定性、强大的抗干扰能力和抗腐蚀性而受到广泛关注。已经开发了几种光纤配置，包括马赫-曾德尔干涉仪（MZIs）[4]、[5]、微光纤[6]、[7]、[8]以及光纤布拉格光栅（FBGs）[9]、[11]。

这些传感器大多依赖于涂覆在光纤上的热敏材料，如液体和酒精[12]、[13]、[14]。为了利用这些材料的折射率和体积随温度变化的特点，人们设计了多种光纤结构来提高折射率灵敏度[4]、[10]、[11]，但这使得制造过程变得复杂，例如熔融锥形拉制[15]、芯偏移熔接[16]和腔体填充方法[17]。

另一种基于使用二氧化硅球的光纤耦合方法也已被证明有效[18]，但从NC-HCF到SMF的耦合损耗仍然很高，达到3 dB。为了改善模式场匹配并减少高阶模式激发，人们采用在光纤尖端沉积聚合物滴的方法来制造Fabry-Pérot传感器[19]、[20]。通过在聚合物端盖中引入介质间隙可以提高性能，从而增加光纤端面与聚合物端盖之间的折射率对比度。通常，这些腔体是通过部分填充聚合物在空心光纤或毛细管上实现的[15]、[17]。此外，还可以通过在聚合物端盖中插入微气泡并利用空化效应来制造带有空气和二氧化硅腔体的FP传感器[21]。由于微气泡在光路中引入了两个反射界面，这种方法实现了双腔结构，从而提高了温度传感的灵敏度。R Defas-Brucil等人利用直接在光纤尖端产生的空化效应展示了微气泡端盖设备的制造方法[20]。然而，这种方法的缺点是微气泡的形成和生长依赖于碳纳米颗粒层的厚度和形态，这可能会影响制造过程的重复性。因此，开发一种高度可重复的微气泡端盖结构制造工艺仍然是一个挑战。

本文报道了一种采用物理包裹和熔接方法制造的简单微气泡端盖FP传感器，用于高灵敏度的温度监测。可以在熔接机上方便地生成端盖内的微气泡。该传感器的温度灵敏度为?6.818 × 10^?2 dB/°C。得益于聚合物端盖的封装和PDMS的优异生物相容性，该传感器具有低制造复杂性、高灵敏度和简单结构。这种独特的组合使其成为细胞培养监测和细菌生长等应用的理想探针。

传感器结构、原理和制造过程

图1展示了基于微气泡的FPI传感器的结构，其中L₁和d分别是空气微气泡的短轴和长轴直径。L₁是空气微气泡的长度，L₂是空气和二氧化硅腔体的总长度。PDMS的长度（L）约为0.5厘米，如图1所示。

为了进一步研究光传输对传感器的影响，使用Rsoft软件对带有空气和PDMS端盖的传感器进行了对比分析

结果与讨论

图6展示了三种不同侧壁厚度（L₂-L₁）为7.0、2.4和3.1微米的传感器的显微图像（CX31 Olympus，东京，日本）及其对应的光谱，如图6(a)所示。空气微气泡的短轴长度（d）分别为68.2、73.5和80.1微米。这些样品表现出不同的特性，对应的光纤尖端直径分别为118.3、147.7和140.8微米。图6(b)显示了相应的FPI反射光谱

结论

本文描述了一种基于单模光纤Fabry-Perot腔体且封装在PDMS端盖中的超紧凑型、易于制造的温度传感器。该传感器利用了PDMS强的热光系数，35–60°C范围内的温度变化会导致反射干涉光谱发生可测量的位移，从而实现高精度的温度检测。通过监测干涉图案的消光比，可以获得?6.818 × 10^?2 dB/°C的温度灵敏度

作者贡献声明

潘萌：撰写——初稿。吕京伟：研究。王建新：概念构思。李仁峰：验证。李良亮：监督。孔伟杰：软件开发。刘伟：验证。刘强：监督。Paul K Chu：撰写——审稿与编辑。刘超：项目管理。

资助

国家自然科学基金[12304480]；黑龙江省自然科学基金[JQ2023F001]；香港城市大学捐赠研究基金[DON-RMG 9229021和9220061]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文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[12304480]、黑龙江省自然科学基金[JQ2023F001]以及香港城市大学捐赠研究基金[DON-RMG 9229021和9220061]的支持。