《Sensors and Actuators A: Physical》：Ultraviolet sensor based on a carbon nanotube polymer-coated 80-μm fiber Bragg grating with enhanced photothermal responsivity
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•由少壁碳纳米管与丙烯酸酯复合而成的涂层，可通过光热转换实现宽谱紫外检测。•在六种不同配置中，涂有碳纳米管的80微米光纤布拉格光栅展现出最高的灵敏度，达24.08?pm/(mW/cm″)。•将光纤直径从125微米减小到80微米，可使灵敏度提升约2.02倍，这一结果与理论预测一致。
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由少壁碳纳米管与丙烯酸酯复合而成的涂层，可通过光热转换实现宽谱紫外检测。
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在六种不同配置中，涂有碳纳米管的80微米光纤布拉格光栅展现出最高的灵敏度，达24.08?pm/(mW/cm″)。
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将光纤直径从125微米减小到80微米，可使灵敏度提升约2.02倍，这一结果与理论预测一致。
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涂有碳纳米管的80微米光纤布拉格光栅在低辐照度环境下仍具有优异的线性度（R″ = 0.988），其相对标准偏差最低仅为4.7%。
引言
近年来，对高灵敏度、高可靠性的紫外线传感器需求大幅增加。这一需求的产生源于紫外线检测技术在诸多领域的广泛应用，包括环境监测、工业过程控制、生物医学诊断、食品安全检测以及航空航天工程[1]、[2]、[3]。在许多精密应用中，紫外线都是至关重要的测量参数，比如评估杀菌消毒效果、通过太阳紫外线指数监测人体紫外线暴露情况，以及控制半导体和显示器件制造中的光固化工艺。因此，紫外线传感器不仅作为光功率测量工具，还成为保障安全、质量控制及工艺管理的重要基础设施。
目前工业领域广泛使用的传统硅基光电探测器和电学式紫外线传感器，虽然具备高灵敏度和快速响应特性，但在高温、高湿度以及强酸强碱等极端环境条件下容易发生腐蚀，这限制了它们的使用范围[4]。在化学工厂、钢铁厂和海上设施等温度、湿度与腐蚀性气体共存的环境中，传感器的使用寿命和可靠性会因电路短路、介质击穿以及电线和电子元件中的电磁干扰而大幅下降。光纤传感器则为解决这些问题提供了有效方案。由于由绝缘材料构成，光纤本身不会受到电磁干扰的影响，同时还具备出色的抗腐蚀性和耐热性，因此即使在传统电学传感器难以使用的恶劣环境中，光纤传感器也能稳定工作[5]。
在各类光纤传感器中，光纤布拉格光栅具有尺寸小巧、重量轻且不受电磁干扰等优点。值得一提的是，波分复用技术使得多个具有不同反射波长的光纤布拉格光栅能够串联在同一根光纤上，从而实现多点分布式检测[6]。这一功能使得人们能够同时实时监测大型结构或广阔区域内的紫外线分布情况，这与仅能进行单点检测的传统半导体传感器有着明显区别。
基于光纤布拉格光栅的紫外线传感器的工作原理是：涂覆在光纤布拉格光栅表面的紫外线响应功能材料，能够将光诱导的形变转化为布拉格反射波长的可测变化[7]。在该领域中，偶氮苯聚合物因其在紫外线照射下可发生可逆的光异构化反应而被广泛研究。在可逆光异构化过程中，分子的构型会从反式转变为顺式[8]。尽管涂有偶氮苯的光纤布拉格光栅传感器确实具有紫外线响应特性，但偶氮苯的化学合成过程较为复杂且成本高昂，而且随着聚合物基质中偶氮苯含量的增加，其固化效率也会下降，这就限制了其紫外线灵敏度的提升。此外，基于偶氮苯的传感器仅对近紫外线波段具有选择性响应，因此无法实现涵盖深紫外线波段或可见光波段的宽谱紫外线检测[9]。
为克服这些局限性，研究人员采用了多种结构设计方法来提升紫外线灵敏度。理论研究表明，将光纤包层的直径从标准的125微米减小到80微米，可以提升涂层层产生的应变向光纤核心中的光纤布拉格光栅传递的效率。通过将80微米直径的光纤与标准的125微米光纤进行熔接，就可以得到尺寸更小的光纤布拉格光栅结构[10]。研究人员一直在通过改进材料结构和优化设计来进一步提升光纤布拉格光栅紫外线传感器的灵敏度。然而，目前仍未找到一种既能实现宽谱光学吸收，又便于材料加工，同时还具备高光热转换效率和光机械转换效率的涂层材料，这一难题至今仍未解决。
为填补这一技术空白，本研究首次将碳纳米管作为涂层材料应用于光纤布拉格光栅紫外线传感器。碳纳米管兼具光热效应和光机械效应，在宽光谱范围内（包括紫外线波段）具有很高的光学吸收率，同时还具备出色的光转换性能，能够高效地将吸收的光能转化为热能和机械膨胀力。正因如此，最近已有研究提出了基于碳纳米管涂层的光纤布拉格光栅可见光传感器[11]、[12]。在以往的研究中，碳纳米管主要是通过化学气相沉积法在高温条件下直接生长在光纤布拉格光栅表面[13]。不过，这种基于化学气相沉积的方法会导致光纤因高温处理而出现机械性能下降的问题，而且其复杂的制备工艺也大大限制了大规模实际应用的可能性。与偶氮苯不同，碳纳米管可以直接与聚合物基质混合，无需复杂的化学合成过程，这在简化生产工艺和提升产品一致性方面具有显著优势。本研究系统地比较了分别用碳纳米管、偶氮苯和丙烯酸酯聚合物涂覆80微米和125微米光纤布拉格光栅所制成的传感器在制备工艺、紫外线响应特性以及灵敏度方面的差异。实验结果表明，与传统基于偶氮苯的传感器相比，经过结构优化并具备更优异光转换特性的碳纳米管聚合物涂层80微米光纤布拉格光栅传感器，其紫外线灵敏度有了显著提升。因此，它具有作为极端环境用宽谱光纤紫外线传感器的巨大实用潜力。
章节摘要
碳纳米管的光学性质与紫外线检测机制
碳纳米管是一种由碳原子以六边形蜂窝状结构连接而成的圆柱形纳米结构，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两类[14]。在目前已发现的材料中，碳纳米管的机械性能最为出色，其在拉伸强度和弹性模量方面表现尤为优异。从光学角度来看，碳纳米管在极宽的波长范围内都具有很高的光学吸收率，该波长范围涵盖了紫外线波段
传感器制备与光学吸收特性分析
为了实现将光诱导的机械形变转化为光纤布拉格光栅中心波长变化的原理，研究人员制备了涂有紫外线响应聚合物的光纤布拉格光栅传感器。通过将三种不同的涂层材料——碳纳米管、偶氮苯和丙烯酸酯聚合物，分别与80微米和125微米两种直径的光纤结合，共制备出了六种不同的传感器配置。这样的设计使得研究人员能够系统地分析材料因素和结构因素对紫外线灵敏度的影响。这些光纤布拉格光栅
根据光纤直径和涂层材料分析紫外线灵敏度
每种传感器的紫外线灵敏度可定义为图6中所展示的波长变化与紫外线强度之间关系的斜率，该斜率表示单位辐照度下的波长变化量。图7则汇总展示了按光纤直径和涂层材料分类的六种传感器配置的灵敏度情况。分析结果显示出两种明显的趋势。
首先，在涂层材料相同的情况下，光纤直径越小，传感器的灵敏度越高。
结论
在本研究中，研究人员通过在80微米直径的光纤布拉格光栅上涂覆少壁碳纳米管复合聚合物，成功研制出一种高灵敏度的紫外线光纤传感器，并对其进行了系统的性能验证。该研究的目的是同时克服传统基于偶氮苯的光纤紫外线传感器在材料和结构方面的局限性。
从材料层面来看，碳纳米管由于其π电子共轭体系而具有宽谱高吸收率，同时还具备高效的光热转换性能
资金支持
本研究得到了朝鲜大学的研究经费支持（编号：K205671015，2023年）。
作者贡献说明
Jeong-Won Park：负责撰写原文初稿及方法部分。Tae-Jung Ahn：负责文章审阅与编辑、研究指导、方法设计、资金申请以及概念构思工作。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
Jeong-Won Park是朝鲜大学的硕士研究生，她的研究兴趣包括光学功能材料以及光纤传感器技术。
Jeong-Won Park|Tae-Jung Ahn
