聚合物双微椭球的光纤锥温度和磁场传感结构研究

李红娟，贡颖婕，李 敏，肖景林

（1.赤峰学院 物理与智能制造工程学院，内蒙古 赤峰 024000；2.内蒙古民族大学凝聚态物理研究所，内蒙古 通辽 028043）

磁场传感器将磁场信息转换为其他信号输出，实现了对磁场信息进行的传输、记录和控制，是实现自动检测和自动控制的核心部件［1-3］。磁场传感器主要有电学磁场传感器和光学磁场传感器两大类。电学磁场传感器容易受环境非目标电磁信号的干扰，因此，对目标信号的探测精度较低。光学磁场传感器利用光信号作为载体对磁场信号进行传感，具有精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，可有效避免电学磁场传感器的不足，受到该领域研究者们的喜爱。其中，光纤磁场传感器体积小、灵敏度高，可以远距离监控，且通过激光微纳米加工［4-7］、化学腐蚀［8-10］和熔融等技术［11-13］可以制作成所需形状的传感结构而备受关注。目前，在航空航天、电网系统、道路监控、轨道交通、食品安全等领域都有着广泛的应用。

由于光纤材料本身对环境磁场不敏感，因此，光纤磁场传感器主要是由磁致伸缩材料、磁光材料和光纤的集成制备得到的。磁性流体（MF）是一种液体和固体的磁性黑棕色胶体溶液，该材料具有多功能的磁光特性，如可调折射率、法拉第效应、双折射效应和热透镜效应。最近，利用磁流体折射率可调特性设计的光纤磁场传感器实现了对环境磁场［14-16］的灵敏检测，但磁流体是由铁磁粒子和液体负载混合制备的，因此，在强磁场下，铁磁粒子与承载液体的分离会产生团簇，磁流体的聚类现象会导致器件性能改变甚至损坏。磁致伸缩材料（巨磁致伸缩材料，GMM）具有应变系数大、转换效率高、响应速度快、功率密度高、频率特性好、居里温度高等性质，即使在强磁场作用下也不会发生聚簇现象，一些学者开发了基于光纤传感器的磁致伸缩材料，但磁致伸缩材料存在压阻，使其与传感器的结合不易集成，生产过程复杂［17-19］。

紫外光敏聚合物材料由聚合物单体和光引发剂构成，未曝光前呈液态，在紫外光的照射下光引发剂产生活性酸，活性酸作为催化剂、催化聚合物单体交联固化实现光纤的集成［20］。通过将磁流体与光刻胶掺杂配备磁性聚合物溶液，并将配备的磁性聚合物溶液涂抹在光纤锥结构的一侧形成一个磁性聚合物微椭球，采用同样的方法在光纤锥的另一侧涂抹未掺杂的聚合物材料形成非磁性聚合物微椭球，聚合物双微椭球与光纤锥形成了马赫-曾德尔干涉仪。光纤锥通过简单的熔融拉制法获得，光纤锥的长度为0.8 mm，2个聚合物微㮋球在光纤锥上的距离为0.2 mm。光信号在光纤锥的一侧被分成两路，一路光在光纤锥中传输，另一路光在聚合物微椭球中传输，并在光纤锥的另一侧耦合叠加，形成透射干涉谱，由于聚合物材料具有很好的热光和热膨胀效应，且磁性聚合物微椭球在磁场作用下被磁化，与外磁场发生相互作用时使得光纤弯曲，因此，环境温度和磁场将对两路信号的相位进行调制从而引起该结构的透射谱发生移动，采用传感矩阵的方法实现环境温度和磁场的同时测量。该传感结构具有制作简单、便于集成、轻巧便携、制作成本低等特点。

1 聚合物双微椭球光纤传感结构的制备和基本理论

1.1 聚合物双微椭球光纤传感结构的制备

首先，配制磁性聚合物溶液。玻璃杯清洗备用，将光刻胶（GM1070）与磁流体按照2∶1的体积进行混合，保鲜膜密封玻璃杯口，置于超声环境中震荡使其均匀混合。其次，利用熔融拉锥法制备光纤锥结构。将纤芯和包层直径分别是100 μm和125 μm的2段多模光纤的端面切平，并固定在熔接机（KL-300T）的V型槽中，见图1（a）。利用自动熔接程序将2根光纤熔接，熔接成功后进行手动放电，手动放电次数和时间分别为4次和800 ms，清洁放电时间300 ms。手动放电过程中对2根光纤分别施加一个恒定的外力，使得光纤以一定的速度匀速向两侧运动，获得锥长为0.8 mm的光纤锥结构，见图1（b）。再次，在光纤锥上涂敷非磁性和磁性聚合物双微椭球。光纤锥被固定在光纤夹具上。光纤夹具是将2 个光纤夹固定在玻璃板上制备而成的，2个光纤夹的距离为1 cm。光纤锥结构刚好悬空处于2 个光纤夹的正中间。夹具被置于光学精密切割系统（XDC-10A-530HS）下。磁性聚合物溶液用一次性注射器吸取，然后涂抹在光纤锥的一侧。该过程在光学精密切割系统下操作。由于表面张力作用，聚合物材料在光纤锥的一侧形成磁性聚合物微椭球。利用同样的方法蘸取掺杂的光刻胶，涂抹在锥的另一侧，获得一个非磁性聚合物微椭球，见图1（c）。最后，用紫外光源（XP104）照射光纤锥上的2个聚合物微椭球，聚合物材料中的光引发剂吸收紫外光产生活性酸，活性酸作为催化剂催化聚合物单体交联，磁流体被交联后的聚合物包裹并集成在光纤锥上。紫外光的光斑尺寸为6 mm，波长为365 nm。由于磁性聚合物材料存在强烈的散射，为使聚合物微椭球充分固化，紫外光源的照射时间为2 min。

图1 聚合物双微椭球光纤传感结构的制备过程Fig.1 The preparation process of fiber sensing structures based on two polymer micro-ellipsoids

光纤传感结构的光学照片见图2（a）。图2（a）中左侧为非磁性聚合物微椭球，右侧为磁性聚合物微椭球。2个微椭球间露出的光纤锥长度为0.2 mm。从图2（a）中可以看出，两聚合物微椭球的大小均匀，表面光滑，磁性聚合物微椭球因掺杂有磁流体材料，故其颜色更深。将该结构放入温控箱（DHG-9031A）中，设置温控箱的温度为30 ℃。传感结构的两端分别与宽带光源（YSL，SC-5-FC）和光谱仪（YOKOGAWA AQ63700D、波段为600～1 700 nm）相连，扫描并记录该结构的透射谱线，见图2（b）。该结构在1 250～1 650 nm光谱范围内出现多个特征峰，其中，1 350 nm处干涉峰的对比度最大，最大值近12 dB。

图2 光纤传感结构光学图片及干涉谱Fig.2 Optical picture and the interference spectrum of the sensing structure

1.2 基本理论

光纤锥集成2个聚合物微椭球构成光纤马赫-曾德尔干涉仪传感结构，光纤锥和2个聚合物微椭球分别作为干涉仪的2个臂。入射光在光纤锥的入射端被分成芯模和包层模继续在光纤锥和聚合物微椭球中向前传输，并在光纤锥的另一端耦合到光纤内部干涉，最终获得该结构的透射干涉谱。强度可以表示为［21］：

k1和k2是第1个和第2个聚合物微椭球的耦合效率，η为包层的传输损耗，φ0是与聚合物微椭球结构有关的初始相位差，Iin为输入光强。Δφ为芯模和包层模之间的相位差，可表述为：

其中，ncore和nclad是芯模和包层模的有效折射率，L是两者之间的干涉长度，λ是入射光的波长，当Δφ=(2m+1) π，m=0,1,2,…，最小输出光强度可用公式表示为：

当环境中磁场发生改变时，磁性聚合物微椭球被磁化，聚合物微椭球的折射率被调制。此外，该结构被磁化，在磁场力的作用下光纤锥发生弯曲，引起结构的干涉长度改变。同样，由于聚合物具有较高的热光和热膨胀系数，环境温度变化也会调制传感结构的有效折射率和干涉长度。折射率和干涉长度的变化使得干涉谱发生漂移。通过监测干涉谱的移动，采用传感矩阵的方法便可同时对磁场强度和温度进行高灵敏度探测。

2 数据分析

为了研究聚合物双微椭球传感结构的温度和磁场特性，构建温度和磁场测试系统，系统由宽带光源、光纤光谱仪、三维移动平台、钕铁硼磁铁、温控箱（DHG-9031A）、高斯计（WT10C）等构成。高斯计探针与光纤传感结构绑定在一起，并固定在温控箱的平台上，磁铁置于传感结构正下方的三维移动平台上，系统示意图见图3。

图3 温度和磁场测试系统示意图Fig.3 Schematic diagram of temperature and magnetic field test system

2.1 磁场传感特性

控制环境温度不变，控制三维移动平台运动来改变磁铁与光纤传感结构的相对位置，增大或减小光纤传感结构所处环境的磁场强度大小，使磁场强度在5～35 mT范围变化。实验结果表明，随着磁场强度的增加，干涉谱向右漂移，干涉谱中多个干涉峰都具有很好的磁场响应特性，见图4（a）。记录1 250 nm 和1 350 nm附近的2个干涉峰A和峰B在不同磁场强度下的中心波长，见图4（b）。对图4（b）中的数据点进行线性拟合，得到2 个干涉峰的磁场灵敏度分别为0.077 27、0.067 45 nm·mT-1，线性相关系数分别为0.997 04和0.984 46。

2.2 温度传感特性

进行温度测量时，保证环境中磁场强度不变，调节温控箱使得温度在30～60 ℃之间变化，变化间隔为5 ℃。每5 ℃记录1次干涉谱，见图5（a）。在测量温度范围内，随着温度的增加干涉谱明显向右漂移。记录干涉峰A和干涉峰B在每个温度下的中心波长，对不同温度下干涉峰的中心波进行线性拟合，见图5（b）。该结构的温度灵敏度分别为0.228 73、0.161 62 nm·℃-1，线性拟合系数分别为0.995 76和0.993 53。

图5 光纤传感结构的温度特性Fig.5 Temperature properties of the fiber sensing structure

文中的光纤温度和磁场传感结构，干涉谱中的2个干涉峰A和峰B对温度和磁场均有不同响应，灵敏度矩阵可以表示为

方程中ΔM和ΔT分别代表环境中磁场和温度的变化量，温度的单位是℃。环境中磁场的变化通过高斯计测量，温度变化通过温控仪实现。ΔλA和ΔλB是干涉峰A和峰B随温度和磁场变化的波长漂移，单位为nm。SMA和STA分别为干涉峰A的磁场和温度灵敏度，STB和SMB分别为干涉峰B的温度和磁场灵敏度，因为两峰的温度和磁场灵敏度不同，且不成线性比例关系，因此，可以实现温度和磁场的同时传感。

3 结论

制备了聚合物双微椭球的高灵敏锥形光纤传感结构，实现了温度和磁场的同时传感。光纤锥通过熔融拉锥法制备，锥长为0.8 mm。磁性和非磁性聚合物微椭球通过紫外固化技术很容易被集成在光纤锥上，聚合物微椭球在长轴和短轴方向的长度分别为0.4、0.2 mm。实验结果表明，磁场在5～35 mT范围时，该结构干涉谱中两干涉峰的磁场灵敏度分别为0.077 27、0.067 45 nm·mT-1，温度在30～60 ℃范围时，两干涉峰的温度灵敏度分别为0.228 73、0.161 62 nm·℃-1。采用灵敏度矩阵的方法实现了温度与磁场的同时测量。聚合物微椭球将光纤锥结构紧紧包裹，有效地提高了结构的机械强度。且该传感结构制备过程简单、成本低，在医疗、航空航天等领域将有着重要的应用前景。