用于局部光热转导的温度校准镀金聚合物微帽法布里-珀罗光纤探头

《Sensors and Actuators A: Physical》：Temperature-Calibrated Au-Coated Polymer Microcap Fabry-Perot Fiber Probe for Localized Photothermal Transduction

　　• 开发了一种镀金聚合物微帽光纤尖端光热转换器。• 法布里-珀罗光谱跟踪实现了标定的局部温度响应。• 镀金层将功率灵敏度从20.08提升至158.36 pm/mW。• 阶跃功率测试显示响应时间为4.25秒，恢复时间为4.04秒。• 演示了功率控制的光热熔合/去除功能。引言光纤兼容的光热转换器为将光能量输送到空间受限区域并将其转化为局部热量以进行微尺度热操控、微加热和光热驱动提供了一条紧凑的路径[1], [2]。对于小目标或受限的操作空间，局部化热场的能力尤为重要。然而，光纤尖端光热设备的实际性能往往受到对光纤末端局部热状态了解不足的局限。过高的温度上升可能导致不受控制的热扩散或材料降解，而加热不足则会降低局部热驱动或去除的效率[3], [4]。传统的基于光纤的光热探针通常依赖尖端处的光热转换器或周围介质的直接吸收。虽然这些结构可以产生局部热量，但它们通常无法提供与加热区域热状态直接相关的共置光学信号[5], [6]。外部温度探头或远程测量可能无法准确代表光纤尖端的温度，因为传感区域和加热区域在空间上是分离的[7], [8]。当目标尺寸小且热梯度陡峭时，这种不匹配变得更加显著。光纤尖端法布里-珀罗干涉仪（FPI）适用于紧凑的光学传感，因为其反射光谱对光程长度的变化敏感[9], [10], [11]。基于聚合物的腔体对于温度响应具有吸引力，因为聚合物材料易于在微尺度上加工，并且通常表现出比二氧化硅更强的热膨胀[12], [13]。同时，Au纳米膜可以吸收近红外光并将光能转化为热量，从而实现局部光热驱动[14], [15], [16]。因此，将聚合物FPI腔与Au光热层结合为紧凑的光热光纤尖端设备提供了一条途径。在此，我们报告了一种帽状聚合物光纤尖端转换器，用于温度标定的局部光热转导。通过受控的点胶工艺在单模式光纤的端面上制备NOA61聚合物微帽，然后溅射Au纳米膜。聚合物帽形成用于光谱跟踪的FPI腔，而Au纳米膜在980 nm激光照射下产生局部热量。通过有限元仿真分析热场分布，并实验评估功率响应、温度标定、稳定性、重复性以及原理验证的光热熔合/去除行为[17], [18]。本文侧重于镀金聚合物腔的光热转导机制和标定的光谱响应，同时仅将基于石蜡的生物模拟结节模型实验作为功率调节微尺度热操控的初步演示[19]。还进行了时间分辨的阶跃功率动态响应测试以评估响应和恢复行为。各节摘要结构设计所提出的探针由标准单模式光纤（SMF）、在光纤端面形成的帽状NOA61聚合物微结构以及沉积在聚合物帽外表面的Au纳米膜组成。单模式光纤用于将光学探测信号和泵浦激光同时输送到尖端区域。Au纳米膜作为光热转换层，吸收980 nm激光能量。如图1所示，在两个部分反射界面处形成……法布里-珀罗干涉与温度响应当探针被宽带光源照射时，M1和M2处发生部分反射。两束反射光发生干涉并在反射光谱中产生周期性条纹。对于低精细度的光纤尖端法布里-珀罗腔，反射强度可以用双光束干涉方程描述：其中 I? 和 I? 是两个界面处的反射强度，n? 是聚合物腔的折射率，L 是腔长度，λ 是……光热场的数值仿真使用COMSOL Multiphysics进行有限元仿真，以研究镀金聚合物微帽的光热行为。根据实际探针几何形状构建了三维模型，包括单模式光纤、NOA61聚合物帽、Au纳米膜和周围空气域。固体域的材料参数被视为各向同性常数。NOA61的密度、热容和热导率分别设定为1290 kg/m3、1400……光学探测和光热测试装置用于光谱探测和光热测试的实验装置包括宽带光源（BBS）、光学光谱分析仪（OSA）、980 nm泵浦激光、1550 nm环形器、90:10光纤耦合器和CCD显微镜/相机，如图7所示。波长范围为1420–1620 nm的宽带光源用于激发聚合物帽的FPI反射光谱。980 nm连续波激光为光热激发提供可调泵浦功率……讨论实验和仿真结果共同表明，镀金聚合物微帽作为一种双功能元件，既可作为局部光热转换器，也可作为温度敏感的光学法布里-珀罗腔。镀金后条纹对比度的增强改善了峰值可见性，而显著增加的功率灵敏度证实了Au膜在放大激光诱导加热中的作用。仿真的温度场进一步支持了……结论开发了一种基于镀金NOA61聚合物微帽法布里-珀罗腔的温度标定光纤尖端光热转换器，用于局部光热转导和微尺度热操控。聚合物微帽在光纤端面形成了紧凑的FPI腔，而Au纳米膜增强了在980 nm激光照射下的光学吸收和局部光热转换。有限元仿真表明，热场集中在镀金的帽上……作者贡献声明**Yi Zhang（张怡）：** 撰写——原稿、可视化、软件、方法学、形式化分析、数据管理、概念构思。**Changqing Miao（苗长青）：** 撰写——审阅与编辑。生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明在撰写本文期间，作者使用了OpenAI的ChatGPT进行语言润色和手稿修改辅助。作者对输出内容进行了审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。利益冲突作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。利益冲突声明作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。作者简介**Yi Zhang（张怡）** 目前是中国哈尔滨工业大学特殊环境先进复合材料国家重点实验室的博士研究生。她的研究方向包括光纤传感、法布里-珀罗干涉探头、聚合物微结构、柔性复合材料以及局部光热转导。