基于侧边抛磨光纤的传感技术研究综述

卓琳青，唐洁媛，朱文国，郑华丹，卢惠辉，关贺元，罗云瀚，钟永春，余健辉，张 军，陈 哲

1.暨南大学光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室，广东广州510632

2.暨南大学广东省可见光通信工程技术研究中心，广东广州510632

3.暨南大学广州市可见光通信工程技术重点实验室，广东广州510632

近年来，光纤广泛应用于高速远程通信、超快激光器和光学传感器等领域，已成为重要的光波导。因此，基于光纤的光电设备和传感器应运而生。在许多应用领域中，光纤传感器因具有抗电磁干扰、耐高温和腐蚀物质、体积小、重量轻、灵敏度高、低传输损耗、易于实现多路复用或分布式传感等优点，而使其可与其他相当成熟的技术（例如电子传感器）相媲美[1-5]。其中，分布式光纤传感器代表了光纤传感技术的最高水平。在光纤传感器中，被感测介质的特定物理特性的改变会导致光纤的光传输特性发生可预测的变化，因此有必要实现外界环境与倏逝场之间有效的相互作用。获得倏逝场的一种方法是通过微纳光纤[6]，另一种方法是通过抛磨工艺完全或者部分去除一侧具有包层的一段光纤来获得侧边抛磨光纤（side polished fiber, SPF）。1980年，Bergh 等[7]首次对单模光纤进行了侧边抛磨，对侧边抛磨光纤的研究已有41年的历史。

2012年，“光纤上实验室（lab on fiber）”技术引起了人们的广泛关注，它是一种将高度功能化的微纳米结构或材料与光纤集成在一起的新技术[8-10]，具有在线、抗电磁干扰、体积小、几何通用性以及与当前光纤系统兼容的优点。该技术有助于实现小型紧凑的光纤系统并开发全光纤设备。它将允许“光纤上实验室”与传输机制结合，并集成到通信和传感的现代光学系统中[8]。侧边抛磨光纤增强了倏逝场与环境材料有效的相互作用，使“光纤上实验室”的实现成为可能。

SPF 的抛磨区为集成微结构和微材料提供了一个平坦的区域，因此成为紧凑型光纤设备和传感器的优质通用平台。可靠的机械性能和抗电磁干扰特性使SPF 广泛适用于光纤传感器。通过感测光纤传输光场的变化实现对周围环境参数的测试，这对环境传感领域具有重要意义。SPF 具有一个倏逝场的“泄漏窗口”，而倏逝场与物质的相互作用强度取决于抛磨表面到纤芯的距离[11]。因此，在设计器件时，可以根据器件的要求选择不同的剩余厚度和抛磨长度，以满足设计要求并获得最佳的器件性能。而全自动人工智能制备技术的成熟和二维（2D）材料的出现，为在光纤上大规模制造和集成“光纤上实验室”奠定了基础。光纤传感器对温度、折射率、应变、声振动、磁场、温度等外界物理扰动具有较高的灵敏度，在某些情况下比其他技术的灵敏度高10∼100 dB。

1 侧边抛磨光纤的原理和特性

SPF 由三部分组成：导入和导出光纤、过渡区和平坦抛磨区，抛磨区的横截面为D 形，而未被抛磨的光纤横截面仍为圆柱形，如图1(a) 和1(b) 所示。SPF 的剩余厚度为从抛磨面到光纤底部的距离，它是决定SPF 中传输光与外部介质相互作用的强度的重要参数。在抛磨之前，完整的包层确保光波在纤芯中传输，当抛磨掉一段长度的包层制造SPF 后，由于抛磨面和纤芯之间的距离只有几µm，包层中的倏逝场会从抛磨区泄漏。此外，SPF 的光传输功率损耗与抛磨区所在环境的折射率有关。通过在抛磨区长度为10 mm 的侧边抛磨光纤的抛磨区上覆盖不同折射率的油可以发现：当油的折射率小于1.437 8 时，光功率损耗小于1 dB；当油的折射率从1.437 8 增加到1.452 1 时，光功率损耗从1 dB 增加到60 dB；当油的折射率大于1.453 2 时，光功率损耗逐渐减小并保持不变，不同剩余厚度条件下变化趋势基本相同但损耗随着剩余厚度的减小而增大[12]，如图1(c) 所示。模拟和实验结果表明，SPF 的场分布与剩余厚度有关，横电模的场分布如图1(d)∼1(g) 所示，随着剩余厚度的减小，模场分布从纤芯逐渐向包层移动[13]。SPF 的透射光谱与剩余厚度的关系如图1(h) 所示，初始光纤的透射光谱几乎没有功率损耗，随着剩余厚度不断减小，光功率损耗逐渐增加，当剩余厚度减小到68.1 µm时，由于多模干涉可以观察到透射光谱中的干涉峰和谷，并且干涉光谱的消光比随着剩余厚度的减小而增加[14]。

图1 (a) 侧边抛磨光纤结构示意图及其(b) 横截面图；(c) 抛磨区长度为10 mm 的侧边抛磨光纤在不同剩余厚度下光功率损耗与抛磨区折射率的关系[12]；(d)∼(g) 横电模在不同剩余厚度下的模拟场分布[13]；(h) 侧边抛磨光纤的透射光谱与剩余厚度的关系[14]Figure 1 (a) Schematic diagram of SPF and (b) cross-sectional view; (c) relationship between the optical power loss of the side-polished fiber with a polishing length of 10 mm and the refractive index under different residual thicknesses; (d)∼(g)simulated field distribution of TE mode under different residual thicknesses; (h) relationship between the transmission spectrum and the residual thickness of SPF

2 侧边抛磨光纤的制备

光纤侧边抛磨技术的发展已有40 多年的历史，如何在不引入过多损耗的情况下制造SPF以及无损估算剩余厚度的方法引起了很多关注。通常，SPF 的制造过程从粗磨过程开始，先快速去除包层，然后是精细的抛光过程，以去除表面划痕得到平整光滑的抛磨面。完整的抛磨过程通常需要花费几个小时的时间才能制备出具有nm 量级粗糙度的高质量SPF。研究人员一直在不断尝试和改进SPF 的制造技术，主要包括V 型槽基块抛磨技术[11,15-16]，轮式抛磨技术[17-30]和飞秒激光加工技术[31-35]。

2.1 V 型槽基块抛磨技术

V 型槽基块抛磨技术是制造SPF 的可靠制造技术之一，由于光纤小而易碎的特性，在抛磨前需要先准备一个起支撑作用的V 型槽。在抛磨过程中，重点是确保不引入过多的损耗，并且可以精确控制抛磨深度。Tseng 等[11]早在1992年就首先报道了一种可重复生产SPF的技术，如图2(a) 所示，该技术将光纤嵌入硅V 型槽中并固定在一起通过机械抛磨来制造SPF，通过液滴法估算抛磨深度。通常要获得标准的SPF，需要两个基本的抛磨步骤。首先，使用粗磨料粉进行一次或多次抛光，然后使用几µm 的颗粒进行精细抛光。可以抛磨直径为125 µm 或75 µm 的光纤，从抛磨表面到光纤纤芯的距离为0.5∼2.5 µm。北京交通大学裴丽等[15]通过电弧放电法改善了抛磨表面的粗糙度并抑制了由微裂纹或凹坑引起的光损耗，独立开发了一套能精确控制SPF 抛磨深度的装置，实现了抛磨长度大于100 mm 的光纤侧边抛磨；通过在低热膨胀系数的微晶玻璃上雕刻多个V 型槽实现同时抛磨多根光纤，从而大大提高了抛磨效率。V 型槽基块抛磨技术的缺点是必须在基块上先刻出V 型槽，并且每抛磨一根光纤都需要新刻的V 型槽基块；优点是可实现多根光纤的同时加工。此外，该方法需将光纤用环氧胶固定在V 型槽上，抛磨完成后需用化学溶剂溶解环氧胶。该技术必须预先精确地制作出不同尺寸的V 型槽，以达到理想的SPF 参数，因此该方法制备SPF 的制作成本昂贵，耗时且受所使用化学溶剂环保限制，且用该方法制成的SPF 难以保证整个抛磨区域具有一致的抛磨深度[16]，难以制备较长的侧边抛磨区。

图2 (a) V 型槽基块抛磨技术[11]；(b) 暨南大学开发的全自动轮式抛磨设备及其(c) 设备软件主界面；(d) SPF 光传输示意图；(e) 抛磨面的原子力显微镜照片；(f)∼(i) 各种类型的SPF 截面图Figure 2 (a)V-groove assisted polishing technique;(b)Fully automatic wheel polishing equipment developed by Jinan University and (c) the main interface of the equipment software; (d)schematic diagram of SPF light transmission; (e) AFM photograph of polished surface;(f)∼(i) the cross-section of various types of SPFs

2.2 轮式抛磨技术

另一种制造SPF 的方法是轮式抛磨技术，该技术适用于各种类型的光纤，包括单模光纤（SMF-28e）、少模光纤、多模光纤、保偏光纤、塑料光纤等[17-19]。它具有操作简单、成本低廉、无需使用胶水固定、可同时加工多根光纤的优点，同时整个抛磨区平坦且具有一致的抛磨深度，适用于加工长抛磨长度的SPF，最大加工长度可达m 量级。具体抛磨过程如下：首先将光纤的涂覆层剥去一段长度，通过两个光纤夹具固定在电动磨轮上方，然后通过调节磨轮的尺寸以控制抛磨区域的长度，用双面胶带将砂纸包裹在磨轮上，将石蜡油滴在砂纸上进行润滑，磨轮由低成本的6 V 直流电动机驱动，再控制磨轮的应力和转动速度，最后通过光功率计在线监测透射光功率来估算光纤的抛磨深度[20]。光源和光功率计分别连接在待抛磨光纤的两端保持不变，通过观察光传播过程中光强的衰减可以监视整个抛磨过程。轮式抛磨技术制备的SPF 其抛磨区域的长度范围大，可以控制在2∼1 000 mm[21]。首先在磨轮上包裹粗砂纸，使包层厚度迅速下降，然后用细砂纸进行精细抛光以去除抛磨面上的划痕，抛磨区域的粗糙度取决于抛磨时间和砂纸的粒度。国内有许多单位对光纤的侧边抛磨技术进行了研究，例如暨南大学、哈尔滨工程大学、北京交通大学、深圳大学等[14-15,22-24]，并且自主设计了相应的抛磨设备。图2(b) 是暨南大学研究团队独立开发的一套带有显微成像系统的全自动人工智能轮式抛磨设备，配有多种激光光源和光功率计组成的在线监测系统, 抛磨参数和光功率的衰减程度均由软件控制和实时监测，该设备商业化的软件主界面如图2(c) 所示，实现了对抛磨长度、深度、角度、形状和粗糙度的控制[12,25-30]。通过精确的控制和15 000 目砂纸的精细抛光，SPF 的侧边抛磨区域光滑，在测试面积为25 µm2的情况下其平均粗糙度小于20 nm，如图2(e) 所示。该团队已成功制备出各种光纤类型的SPF，如单模光纤、多模光纤、熊猫保偏光纤和光子晶体光纤等，如图2(f)∼2(i) 所示，该抛磨设备和SPF 已销售国内外数十家单位，并成功应用于光纤传感器、光纤耦合器、滤波器、偏振器、光电探测器、调制器等器件。

2.3 飞秒激光加工技术

近年来，随着超短脉冲激光的蓬勃发展，以飞秒激光为代表的微纳加工技术已经应用于加工SPF[31-34]、法布里-珀罗干涉仪[35]等光纤器件。大多数飞秒激光加工是通过逐点近阈值烧蚀的方式[31-32]，该方法通常加工效率较低，且加工长度仅为mm 量级。Chen 等[31]成功地证明了用飞秒激光制造SPF 的可行性，当飞秒激光的焦点半径为2.44 µm 时，经原子力显微镜测得其表面平均粗糙度为231.7 nm。中南大学高性能复杂制造国家重点实验室周剑英等[33]在2015年提出了利用飞秒激光加工中二维CCD 观测定位的轮廓线方法加工SPF，并研究了离焦量对飞秒激光轮廓线加工质量的影响。该方法验证了远超阈值能量下基于飞秒激光的轮廓线方法制备SPF 的可行性，加工得到的SPF 经原子力显微镜测得的表面粗糙度为129 nm，加工精度和加工效率都得以提高。飞秒激光加工技术加工精度高，适用于加工短抛磨长度（mm 量级）的SPF。

3 基于侧边抛磨光纤的多种光纤传感器

自1970年以来，光纤传感器的出现正在彻底改变我们的生活。与电化学传感器不同，光纤传感器具有体积小、兼容性强、抗电磁干扰和化学惰性的优点，这使得光纤传感器能够应用于一些恶劣的环境中。SPF 是一种成熟的光纤传感平台，可作为探索全光纤传感器的小型化平台。光纤经侧边抛磨后倏逝场从光纤纤芯泄露，因此抛磨区域对覆盖材料十分敏感。因此，通过将SPF 与优良的光学材料相结合，可以获得高性能的基于SPF 的光纤传感器[13,16,36]。按传感器的被测物理量进行分类，包括折射率传感器、湿度传感器、温度传感器、光功率传感器、应变传感器、声压传感器、生物化学传感器、矢量磁场传感器。

3.1 折射率光纤传感器

折射率传感器在生物医学，化学和食品加工中显示出巨大的价值。迄今为止，已有许多关于光纤折射率传感器的报道[36]，例如基于去芯侧边抛磨光纤的多模干涉（multimode interference, MMI）折射率传感器[13,37]，基于表面等离子体共振（surface plasmon resonance,SPR）的侧抛光子晶体光纤折射率传感器[38-39]和基于侧边抛磨单模-多模-单模光纤的MMI 折射率传感器[40]。其中，多模干涉中高阶模的有效激发可以有效提高传感器灵敏度。基于去芯侧边抛磨光纤的MMI 折射率传感器可以在折射率范围为1.438∼1.444 内实现15 666 nm/RIU 的高灵敏度[13]，如图3(a) 所示；在环境折射率范围为1.442∼1.444 内实现28 000 nm/RIU 的超高灵敏度[37]。去芯侧边抛磨光纤显示出构建高灵敏传感器的前景。对于基于SPR 的侧抛光子晶体光纤折射率传感器，在折射率范围为1.36∼1.38 内，最大理论分辨率可达5.98×10−6RIU，波长灵敏度可达3 340 nm/RIU[38]。基于MMI 的光纤折射率传感器由于成本低、易于制造以及可自由定制频谱的优点吸引了研究者们的广泛关注。SPR 技术对于光学传感器领域至关重要，可以借助倏逝波监测周围环境折射率的微小改变，SPR 发生在特定的波长，当倏逝波与等离子体波发生相位匹配时产生SPR 效应，使电子发生振荡的特定波长称为共振波长。SPR 传感器对外部变化非常敏感，当环境略有变化时，谐振波长将发生偏移，因此基于SPR 的光纤折射率传感器具有检测微小折射率变化的优势。

3.2 湿度光纤传感器

湿度传感器在半导体制造过程、食品存储、健康监测和气象学领域中发挥着重要作用[41]。灵敏度和动态范围是湿度传感器的两个重要参数。目前，有多种传感技术可检测相对湿度，例如电阻、电容、重量技术[42]。尽管基于电阻和电容技术的湿度传感器具有低成本、可大量生产和宽动态范围的优点，基于重量法的传感器具有低磁滞漂移的优点[42-43]。但由于光纤湿度传感器具有尺寸紧凑、抗电磁干扰、适用于遥感和在线监测的特性，在危险环境中具有不可替代的作用。近年来，由于高比表面积和独特的光学特性，诸如过渡金属硫化物和氧化石墨烯等二维材料已应用于传感[42,44]。暨南大学研究团队研究了一种基于SPF 表面涂覆氧化石墨烯薄膜的高性能湿度传感器，实现了基于跟踪波长和强度变化的两种工作模式，在高相对湿度下氧化石墨烯发生溶胀效应变厚，共振波长发生红移，其灵敏度在湿度范围为85%∼97.6%时达到0.915 nm/RH%[44]。该团队还研究了在SPF 上涂覆二硒化钼的湿度传感器，实验结果表明在32%∼73%的湿度范围内，灵敏度达0.321 dB/RH%，该传感器的快速响应时间为1 s，恢复时间为4 s，展示了监视人体呼吸的能力[42]。此外，还提出了一种在SPF 上涂覆二硫化钨的全光纤湿度传感器，在35%∼85%湿度的范围内，可实现0.121 3 dB/%RH 的灵敏度[45]。研究人员一直致力于开发高性能湿度传感器，其中基于二维材料的SPF 湿度传感器显示出高灵敏度、宽动态范围和快速响应的优点[42,44-47]。

3.3 温度光纤传感器

光纤温度传感器具有与其他光纤传感器相同的优势，且与传统的电传感器相比，具有抵御高温和高压等恶劣环境的能力，在生物治疗和医学诊断等各种温度传感领域具有广阔的应用前景和竞争力[48]。温度传感通常基于传输光谱的波长偏移或传输功率的变化。基于马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer, MZI）结构的光纤传感器对环境变化具有较高的灵敏度，因此始终用于温度、应变和折射率感测。广东工业大学、暨南大学和中山大学共同研究了一种基于MZI 的温度传感器，通过在两个单模光纤之间剪接一段SPF 以形成一个微腔来填充和替换各种折射率液，实现的温度灵敏度范围从33.66 nm/◦C 到−84.72 nm/◦C，线性相关系数为0.995 3[48]。其他实现高灵敏度温度传感器的有效方法是将敏感材料与光波导相结合[49-51]，如图3(b) 所示。氧化石墨烯作为一种敏感材料，具有超高的导热性和光吸收能力，并且对温度变化非常敏感[49]。基于在SPF 上涂有氧化石墨烯薄膜的全光纤温度传感器，具有快速响应、高灵敏度等优点，SPF 中的光传输功率由于氧化石墨烯具有超高的光吸收而发生变化，其线性相关系数为99.4%，灵敏度为0.134 dB/◦C，精度高于0.03◦C，响应速度大于0.022 8◦C/s[49]。基于TiO2纳米粒子自组装的SPF 温度传感器的灵敏度为0.044 dB/◦C，低于基于氧化石墨烯的SPF 温度传感器，其线性相关系数同样为99.4%[50]。聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）具有较大的热光系数，当其与高折射率敏感性的去芯侧边抛磨光纤结合时，在温度范围为30∼85◦C 显示出−0.441 2 nm/◦C 的温度灵敏度，线性相关系数为0.997 4[52]。其中，基于氧化石墨烯和TiO2纳米粒子的SPF 温度传感器是通过光传输功率的变化来跟踪周围温度的变化，而不需要光谱分析仪来确定波长偏移及其灵敏度。

3.4 光功率光纤传感器

液晶的介电常数、电导率和折射率均具有各向异性，是一种各向异性晶体，因此对磁、电、热和光敏感，尤其是对紫外光[53-56]。基于液晶的传感器实际应用于检测温度[57]、压力[58]、有机蒸汽[59]、生物活性[60]等方面，SPF 的出现正好可以作为一种传感平台来扩展基于液晶的传感材料的功能。在众多的光敏材料中，偶氮掺杂的液晶因其对偶氮苯的光异构化而具有较大的光敏性而引起了广泛的关注[61]。暨南大学团队提出了基于光学表面光栅的光纤紫光传感器，该表面光栅由覆盖在SPF 上的光敏液晶混合膜形成，利用液晶中的光诱导相变实现紫光传感[55]。通过使用混合的光敏液晶，增强了液晶分子变形的转导和放大作用，将波长为405 nm 处的紫光传感灵敏度提高到1.154 nm/(mW/cm2)。相比于紫光，紫外光传感具有更高的灵敏度，因为混合光敏液晶对紫外光的敏感度要比对紫光的敏感度高。此外，这种基于SPF 的传感平台能够对发光二极管和荧光灯的光功率进行在线监测，当被波长为380 nm 的发光二极管照射时，该传感器的灵敏度为0.16 dB/(µW/cm2)，检测极限为45 lx[56]。事实证明，基于混合SPF 的混合光敏液晶（偶氮苯染料，手性掺杂剂和向列液晶）的光功率传感器对波长为380 nm 的发光二极管、水银灯和办公室天花板灯[56]这三种不同的光源敏感。

3.5 应变光纤传感器

应变传感器具有探测、响应机械运动并可将其转化为电信号的能力，因而广泛应用于航空航天、土木工程和电力项目。虽然晶体硅一直是传感器中使用最广泛的材料之一，为传感器的发展做出了重要的贡献。然而，由于晶体硅的拉伸能力差和易碎性，半导体应变传感器在现代应变传感中的主导地位已被削弱。近年来，可穿戴和柔性电子设备的研发对柔性电子传感器的需求激增，已经发现了一些新颖的应变传感技术，例如基于碳纳米材料的薄膜[62]、聚合物光纤[63]、光纤环形镜[64]、拉曼位移[65]、光纤布拉格光栅[66]。其中，碳纳米材料已成为研究最深入的纳米材料之一，在制造导电、高柔性和敏感的应变传感器方面具有巨大的潜力，并已成功用于可穿戴设备中的人体运动检测[67]。SPF 因其强大的机械强度，可持续性和耐用性而应用于应变传感器。有研究表明，采用四层结构可以提高光纤SPR 传感器的动态范围和灵敏度，暨南大学团队在三层D 型光纤SPR 传感器的基础上提出了基于SPR 技术的四层（芯层、薄包层、金属膜和覆盖层）D 型光纤超高灵敏度（2.19×104deg/ε）极化应变传感器[68]，结果表明基于SPF 的应变SPR 传感器的灵敏度明显高于非SPR 光纤传感器。因此Ying 等[69]通过数值模拟进一步讨论了基于SPF 的应变SPR 传感特性，研究了纤芯到抛磨面距离和金膜厚度对传感性能的影响。基于SPF 的应变SPR 传感器可以克服传统金属应变传感器的局限性，如低灵敏度、延展性差和脆弱的问题和单向应变测量的局限性。

3.6 声压光纤传感器

在过去的几十年中，对声波检测和分析的需求增长了很多，例如在导航的应用（深度探测/海底轮廓分析）、国防安全、健康科学（医学影像和诊断）、工业无损检测[70-71]。声传感器可以通过检测发射的超声波对结构进行无损评估（检测和定位）。无论在空气还是水中，声压都是最常见的测量值，幅度约为mPa（10−8bar）[72]。声学方法具有研究材料的结构、性质及其内部物理过程的能力。光纤声压传感器由于其相对于普通压电或电容式传感器的优势自1970年以来引起了人们极大的兴趣，例如尺寸小、抗电磁干扰性强、响应速度快以及对恶劣环境的抵抗力[73]。光纤声压传感器的主要性能参数包括：灵敏度、信噪比、动态范围和频率响应，其中前三个参数越大越好，频率响应越平坦越好。光纤声压传感器中有三种主要类型：以光纤布拉格光栅为代表的波长调制型，以MZI 为代表的相位调制型以及以弯曲波导为代表的光强调制型[70-74]。其中，侧边抛磨的光纤布拉格光栅声压传感器显示出增强的声压灵敏度，声压引起的波长偏移达到0.041 nm/Pa，噪声等效声信号电平在2.5 kHz 时达到如图3(c) 所示。随着应变敏感纳米材料的发展，侧边抛磨的光纤布拉格光栅在健康监测和可穿戴设备领域显示出开发高灵敏的声/超声传感器的潜力。

3.7 生物化学光纤传感器

生物和化学传感与人类健康和安全密切相关。实时监测生物分子间的相互作用、离子的分布和通量以及代谢物动力学，在许多生物医学研究和生命科学基础研究中具有重要的意义。然而，荧光染料分子和金属纳米粒子通常会对活细胞产生有害影响，因此有必要开发无创无标签的细胞内生物检测方法。表面等离子体共振（SPR）技术作为一种在生物化学领域具有实时、原位、无标记、快速响应、高灵敏度的强有力检测和分析工具得到了广泛的应用[16,75-77]。例如，暨南大学团队演示了基于侧边抛磨少模光纤金膜激发SPR 的生物传感器，当折射率范围为1.333∼1.404 时，灵敏度达4 903 nm/RIU，品质因数为46.1 RIU−1[16]；基于SPF 的石墨烯/金属混合等离子体传感器可用来检测单链DNA[77]，如图3(e) 所示；此外暨南大学研究团队和广东工业大学何苗等[75]对长程SPR 传感器进行了理论计算和实验研究，包括SPF的剩余厚度，银膜厚度和MgF2缓冲层厚度对传感性能的影响，通过理论计算和牛血清白蛋白质量浓度检测，证明引入MgF2缓冲层使传感器的性能增强了1.14 倍。此外还有基于SPF的MoS2和石墨烯纳米结构制备的葡萄糖生物传感器，该微型、柔性传感器使其植入人体进行葡萄糖检测成为可能[78]。暨南大学团队将热致向列型液晶和磷脂集成在SPF 上制备了无标签光纤生物传感器，通过磷脂酶水解磷脂触发液晶在传感器上的重新排列和分布，不仅改变了液晶的有效折射率，而且引起光纤传感器透射光功率的变化[79]。该光纤传感器避免了使用体积大、价格昂贵的偏光光学显微镜，并实现了生化分子的实时、在线和定量测量。

图3 (a) 光纤折射率传感示意图[13]；(b) 光纤温度传感示意图[51]；(c) 光纤声传感示意图[73]；(d) 光纤VOC 气体传感示意图[80]；(e)SPR 生物传感示意图[77]Figure 3 (a) Schematic diagram of optical fiber refractive index sensing; (b) schematic diagram of optical fiber temperature sensing; (c)schematic diagram of optical fiber acoustic sensing;(d) schematic diagram of optical fiber VOC gas sensing; (e) schematic diagram of SPR biological sensing

最常见的化学传感是挥发性有机化合物（volatile organic compound, VOC）气体传感，例如甲苯传感器[80-81]，如图3(d) 所示。由于VOC 的高度易燃性和爆炸性，因此对VOC 气体的感测和监视在工业，农业和科学研究中显示出重要的地位。到目前为止，已经有各种敏感材料用于检测VOC 气体，例如金属氧化物[82]、本征导电聚合物[83]、ZnO 纳米棒[84]、胆甾型液晶和氧化还原石墨烯[80-81]。各种技术已应用于开发VOC 传感器，例如气相色谱和质谱[85]、离子迁移谱[86]。但这些技术不适合在线、实时和原地监视。暨南大学团队将胆甾型液晶和氧化还原石墨烯等敏感材料与SPF 结合在一起，为在线光纤气体传感器的实现开辟了一条新途径[80-81]。

3.8 矢量磁场光纤传感器

磁场传感在医学、工业、电力传输等方面具有重要的意义。研究人员已经提出了基于磁流体和各种光纤结构的磁场传感器，然而大多数磁场传感器只能检测磁场强度，而忽略了磁场取向[87]。暨南大学研究团队利用SPF 非圆对称的几何形状和SPF 周围磁流体非均匀分布、磁场诱导各向异性分布的特点，实现了基于SPF 的矢量磁场传感器能够同时检测磁场的强度和取向[88-90]。该团队将SPF 与智能手机平台和磁流体结合，通过SPF 进行照明和成像，实现了集光源、探测器和数据处理功能于一体的磁力计。该磁力计设计在智能手机上，具有便携性、低成本、高灵敏度矢量测量等特点[88]。

4 结 语

本文回顾并总结了SPF 的制造技术和在光纤传感器领域的应用，展示了与多种材料集成以实现不同功能的传感器。目前SPF 已经实现了与金属、二维材料和液晶等多种材料的集成，实现了对折射率、湿度、温度、光功率、应变、声压、生物化学分子、磁场等多种参量或材料的传感，在光纤传感器中展现出了极优的应用实力。SPF 可使光纤波导中倏逝场与环境材料的相互作用增强，使“光纤上实验室”的实现成为可能。目前，全自动人工智能制备技术和设备已经研制成功并实现商用，保证了SPF 的大规模制备和商业应用。而SPF 作为优秀的光学波导平台已经应用于多种领域，这些基于倏逝场的SPF 传感器有望应用于人体健康监测和可穿戴设备、恶劣环境的实时监测、食品领域和特定生物目标的检测。