一种侧边抛磨光纤和制备方法以及光纤湿度传感器与流程

本发明涉及光纤应用技术领域，尤其涉及一种覆盖重铬酸盐明胶的纳米多孔薄膜的侧边抛磨光纤和制备方法以及湿度传感器。

背景技术：

侧边抛磨光纤(SPF)是在普通通信光纤上，利用光学微加工技术，将光纤的部分侧边包层去掉/抛磨掉所制成的光纤。由于抛磨表面非常接近纤芯，倏逝光可以从纤芯泄露到抛磨表面，形成倏逝场。倏逝场与外界环境之间有很强的相互作用。由于其制作工艺简单，并且和光纤系统有很好的兼容性，侧边抛磨光纤已经被应用于光纤器件的众多领域。比如，光纤耦合器，分插滤波器，宽带光谱控制器。侧边抛磨光纤还被用来制作各种光纤传感器件，比如温度传感器，应变传感器，折射率传感器，光功率传感器，液晶配向传感器,氢含量传感器，湿度传感器。

在不同的湿度传感器中，光纤传感器凭借其在恶劣环境中良好的特性成为传统传感器的替代品。长周期光纤光栅湿度传感器灵敏度高达0.833％RH/dB(Tan,K hay Ming,et al."High relative humidity measurements using gelatin coated long-period grating sensors."Sens Actuators B:Chem.110(2),335-341(2005))，基于MZI干涉仪结构的光纤湿度传感器，最大的灵敏度达到得到0.349dB/％RH(Wang,You qing,et al."Polarization-dependent humidity sensor based on an in-fiber Mach-Zehnder interferometer coated with graphene oxide."Sens Actuators B:Chem.234,503-509(2016))。最近的相关研究，为了增强基于光纤的传感器对环境湿度的灵敏性，通过涂覆各种材料在光纤上。比如，覆盖还原氧化石墨烯的SPF湿度传感器，灵敏度为0.31dB/(％RH)(Xiao Yi，et al."Fiber-Optic Humidity Sensing Based on Graphene."Acta OpticaSinica.35(4),(2015))。沉积WS2薄膜材料的SPF湿度传感器，其灵敏度是0.1213dB/％RH(Y.Luo,C.Chen,K.Xia,S.Peng,H.Guan,J.Tang,H.Lu,J.Yu,J.Zhang,Y.Xiao and Z.Chen,"Tungsten disulfide(WS2)based all-fiber-optic humidity sensor,"Opt.Express 24(8),8956-8966(2016))。涂覆聚乙烯醇薄膜的PMF湿度传感器，可以达到的灵敏度为0.98nm/％RH(Liang,Hou hui,et al."Relative humidity sensor based on polarization maintaining fiber loop mirror with polymer coating."Microwave&Opt Tech Lett.54(10)2364–2366(2012))。

本发明提出了一种基于重铬酸盐明胶的纳米多孔聚合膜包层结构的SPF湿度传感器。由于明胶良好的吸水性能和极高的表面体积比，纳米多孔聚合膜的有效折射率变化很大。因此它的湿度灵敏度达到了1.12nm/RH％。这种纳米多孔包层结构的SPF在光纤传感领域有着很好的应用前景。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低廉，制备方法简单，且与光纤系统由良好兼容性的抛磨光纤。此外，本发明还提供了该抛磨光纤的制备方法，以及基于该抛磨光纤的光纤湿度传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

一种侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤的抛磨面覆盖重铬酸盐明胶薄膜，且重铬酸盐明胶薄膜具有纳米多孔结构。

所述重铬酸盐明胶薄膜由重铬酸铵、明胶和水混合后涂覆于抛磨面而形成。

重铬酸盐水溶液加入到生物有机胶体化合物中会使化合物具有感光特性，暴露于光的区域相比于未暴露于光的区域硬度更大，更不易溶于水。这种不同的溶解度可能会导致材料在水洗和脱水的过程中厚度和密度发生变化，从而在薄膜中产生纳米多孔结构。重铬酸铵是一种水溶性非常高的化合物，当它加入明胶中后，在明胶干板硬化的过程中不会产生使光散射的结晶，因为结晶的形成会使全息图像产生较大的噪声。

重铬酸盐明胶薄膜的纳米多孔结构有很大的表面体积比，这可以很大程度上增强致敏材料和目标对象之间的相互作用。由于明胶良好的吸水性能和极高的表面体积比，纳米多孔结构的薄膜的有效折射率变化很大，使得利用本发明所述的侧边抛磨光纤制备形成的光纤湿度传感器的湿度灵敏度达到了1.12nm/RH％。这种纳米多孔包层结构的SPF在光纤传感领域有着很好的应用前景。

进一步的，所述侧边抛磨光纤的抛磨深度为56.5～59.5μm，所述侧边抛磨光纤的抛磨长度为10～15mm，所述侧边抛磨光纤的纤芯与抛磨面的距离为-1～2μm。抛磨深度和抛磨长度的增加会使得侧抛光纤的损耗增大，从而使得长波长的干涉波谷由于损耗过大不能测量，只能通过较短波长的干涉波谷移动测量环境的湿度变化，因此使得湿度灵敏度降低。

进一步的，具有纳米多孔结构的重铬酸盐薄膜的形成方法包括如下步骤：

S1：将重铬酸铵、明胶和水混合均匀后得到的明胶溶液涂覆在侧边抛磨光纤的抛磨面形成薄膜；通过重复调试，重铬酸铵和明胶的比值为0.5～2：7得出的结果较优。

S2：将覆盖在上述侧边抛磨光纤中抛磨面上的薄膜中的水分进行完全蒸发；

S3：将步骤S2中蒸发水分后的侧边抛磨光纤置于激光光束下进行曝光，然后再进行烘烤；

S4：将上述烘烤后的侧边抛磨光纤冷却至室温后进行吸水脱水处理。

所述步骤S4中的吸水脱水处理为：先将侧边抛磨光纤置于水中吸水，然后将再将其置于异丙醇溶液中脱水，最后将其置于正丁醇溶液中二次脱水，并将二次脱水后的侧边抛磨光纤中的正丁醇进行完全挥发。进行多次脱水是要增强其脱水效果，可以进行三次或更多次脱水。但通过使用异丙醇和正丁醇的两次脱水即可以达到最好的效果，因此不需要进行更多的脱水操作，简化步骤。使用醇类脱水剂而不使用酮类脱水剂是因为醇类使明胶硬化及收缩，因而产生纳米多孔结构。而酮类会使得明胶软化，容易使得微孔塌陷。

将上述制备的抛磨光纤应用于湿度传感器中制备成光纤湿度传感器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过在侧边抛磨光纤上覆盖具有纳米多孔结构的重铬酸盐明胶薄膜的方式，成功制备了纳米多孔包层结构的光纤湿度传感器，且证明了它适合作为一种全光纤湿度传感器。由于纳米多孔包层结构的侧边抛磨光纤样品的纤芯模式和包层模式之间的模间干涉，样品的透射谱有两个波谷，对应波长位置分别是1183.2nm和1324.8nm。当相对湿度升高时，灵敏度为1.02nm/RH％，线性相关系数为99.31％。当相对湿度降低时，灵敏度为1.12nm/RH％，线性相关系数为98.45％。此外，本发明的传感器还具有良好的可重复性。这种重铬酸盐明胶薄膜包层结构的光纤成本低廉，制备方法简单，与光纤系统有潜在的良好的兼容性。

附图说明

图1a为侧边抛磨光纤的剖面示意图；

图1b为光纤抛磨面的扫描电镜图；

图2a为固定在玻片上的抛磨面朝上的光纤；

图2b为涂覆重铬酸盐明胶薄膜的侧边抛磨光纤的横截面的示意图；

图3为湿度传感实验装置图；

图4a为具有纳米多孔包层结构的侧边抛磨光纤样品和单纯的侧边抛磨光纤的传输光谱；

图4b为模间干涉示意图；

图5为相对湿度升高过程中的透射谱变化；

图6为相对湿度降低过程中的透射谱变化；

图7为样品透射谱波谷初始位置为1324.8nm处对应不同湿度的漂移位置。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例1

一、样品的制作

侧边抛磨光纤由轮式抛磨系统制备而成，通过抛磨的方式破坏了包层中倏逝场的完整性，通过改变抛磨面上所涂覆的材料及其结构可以控制光纤的倏逝场强度，最终达到控制整个传输光谱的目的。测量侧抛区域剩余厚度的仪器(XS-01-05-001)的分辨率是0.1μm。图1(a)为抛磨光纤的剖面示意图(1：纤芯；2：单模光纤；L1：抛磨区长度；L2：平坦区长度；D：抛磨深度)，它显示抛磨长度为10mm，其中平坦区长度为5.5mm，抛磨深度58.3μm。实验所用标准单模光纤为SMF-28e，其直径和纤芯直径分别为125μm和8μm，抛磨面和纤芯的距离是0.2μm。磨掉的包层会形成倏逝场继而与明胶薄膜耦合并改变传输光谱。图1(b)是光纤的抛磨面的扫描电镜图，抛磨面的粗糙度为20nm。足够长的抛磨平面区域和足够深的抛磨深度增强了涂覆层与纤芯的传播模式的耦合强度。

涂覆层为重铬酸盐明胶凝胶(DCG)，它是由重铬酸铵、明胶和水混合制作而成。重铬酸铵、明胶和水配制的重量比为1：7:30。将混合溶液放置于60℃水浴环境中利用磁力搅拌器搅拌1.5h使凝胶溶液混合均匀，得到明胶溶液。将明胶溶液涂覆在抛磨面朝上的光纤上，光纤是被固定在玻璃片上的，如图2(a)所示。完成涂覆工艺之后，将样品(涂覆DCG薄膜的SPF)置于干燥箱中4天，使薄膜中水分充分蒸发。干燥箱的温度和湿度分别为28.6℃和46％RH。图2(b)是涂覆DCG薄膜的SPF的横截面。DCG薄膜均匀的涂覆在SPF的抛光表面上。

为了使DCG薄膜形成纳米多孔结构，涂覆DCG薄膜的SPF在宽带激光光束下曝光3分钟。宽带激光光束的光强是0.3mW/cm2。实验中使用的光源是波长为442nm氦镉激光器(KIMMON IK4301R-D)。然后把涂覆DCG薄膜的SPF放置在80℃的烤盘上硬化10分钟。待样品冷却至室温后对样品进行吸水脱水的处理，首先将样品置于10℃的蒸馏水中10min，然后将样品放置于65℃的异丙醇溶液中脱水5min，最后将样品置于30℃正丁醇溶液中进行第二次脱水，脱水时间为5min。三个过程连续进行，吸水脱水过程结束后，将样品放置在28.6℃和相对湿度为46％的干燥箱中1小时，使微孔中正丁醇溶液全部挥发。图2(c)和(d)分别是涂覆了DCG凝胶的SPF和纳米多孔结构的薄膜的横截面的扫描电镜图。如图2(c)DCG膜均匀涂在抛光表面，其厚度为1.36μm。图2(d)可观察到无序排布的纳米多孔结构。尽管DCG薄膜是随机的纳米多孔结构，但是薄膜保持了高度透明的形态。这是由于在DCG膜对随机纳米多孔的散射效率极低。

二、实验

图3所示为湿度传感实验装置图(3：超连续激光器；4：光纤光谱分析仪；5：覆盖纳米多孔包层的侧边抛磨光纤；6：热电偶温度探测计；7：管式温控炉)。光源为波长范围为420-2400nm的超连续谱光源(sc400-4，fianium公司)，一个恒温恒湿箱(BPS-100CL,湿度测量范围35-95％RH,上海一恒科技有限公司)用来控制样品的温度和湿度。温湿度计的探头固定在样品上用来读取恒温恒湿箱内实际的温度。一台光谱分析仪(AQ6317C,YOKOGAWA电子公司)用来测量传输光谱。为了保证样品对湿度保持最高的敏感度，恒温恒湿箱内温度控制为45℃，湿度测量范围为30％RH-50％RH。在实验过程中，湿度每次升高(或降低)2％RH，每个湿度保持10分钟来保证湿度恒定。

图4(a)是具有纳米多孔包层结构的SPF样品和单纯的SPF的传输光谱。位于上方的实线是SPF的传输光谱，位于下方的实线是具有纳米多孔包层结构的SPF样品的传输光谱。具有纳米多孔结构的SPF样品的传输光谱可观察到两个透射谷，对应波长分别是1183.2nm和1324.8nm。调制幅度分别为7dB和8dB，这是样品的纤芯模和纳米多孔结构的包层模发生了模间干涉。

此外，透射光谱对湿度表现出显著的敏感性。图5显示了纳米多孔结构的SPF透射光谱在相对湿度增加过程中的透射谱；图6显示纳米多孔结构的SPF透射光谱在相对湿度降低过程中的透射谱。随着湿度的升高，透射谷的位置发生了红移。这是由于随着湿度的升高，纳米多孔包层中原来充满空气的微孔被水分子填充，导致纳米多孔包层的有效折射率增加。包层有效折射率增加的幅度比纤芯有效折射率减小幅度大的多，因此透射谷对应波长增加。

由于明胶具有较高的折射率，光纤传输的一部分光耦合到明胶薄膜中，以包层模式在明胶层中传播，另一部分光在纤芯中传输，在包层模式下传播的光束再次耦合到纤芯模式，两束想干光存在一定的光程差，当光程差满足相位匹配条件时，两束特定波长的光产生干涉现象。

相位匹配公式如下：

和分别表示纤芯模和包层模的有效折射率，L为抛磨区长度，m是一个任意的整数，λ是传输光的透射谷对应的波长。

因为DCG膜层的折射率为1.53(大于纤芯)，比大，当相对湿度增加时，由于材料的亲水性，和变大。因为纳米多孔包层中原来充满空气的微孔被水分子填充，纳米多孔包层的有效折射率的增加幅度远远大于纤芯的有效折射率。依据相位匹配公式，样品的透射谷对应的波长λ随着相对湿度的增加而显著增加。它与实验结果有良好的对应性。

图7显示样品初始状态下透射谱波谷位置为1324.8nm处在不同湿度下透射谱波谷的位置漂移过程。30％RH至50％RH湿度变化范围是，传输谷红移了22nm。在图7中，圆形的点是在相对湿度增加的过程中样品透射谷的位置变化曲线，对应的线条是线性拟合曲线。灵敏度为1.02nm/RH％，线性相关系数为99.31％。三角形的点是在相对湿度降低过程中样品透射谷的位置变化曲线，对应的线条是线性拟合曲线。灵敏度为1.12nm/RH％，线性相关系数为98.45％，并且图7中两条曲线几乎重叠。根据实验结果和分析，可以说明纳米多孔包层光纤传感器具有良好的可重复性。

三、总结

通过在侧边抛磨光纤上覆盖具有纳米多孔结构的DCG薄膜的方式，成功制备了纳米多孔包层结构的光纤湿度传感器。它适合作为一种全光纤湿度传感器。由于纳米多孔包层结构的SPF样品的纤芯模式和包层模式之间的模间干涉，样品的透射谱有两个波谷，对应波长位置分别是1183.2nm和1324.8nm。当相对湿度升高时，1324.8nm波谷处波长位置相对于湿度的灵敏度为1.02nm/RH％，线性相关系数为99.31％。当相对湿度降低时，灵敏度为1.12nm/RH％，线性相关系数为98.45％。此外，该传感装置还具有良好的可重复性。这种DCG薄膜包层结构的光纤成本低廉，制备方法简单，与光纤系统有潜在的良好的兼容性。

实施例2

本实施例与实施例1类似，区别在于，抛磨深度为59.5μm，抛磨长度为15mm，抛磨面和纤芯的距离为-1μm(即纤芯被抛磨掉1μm)。干涉波谷位置在30RH％时为819.6nm。当相对湿度升高时，灵敏度为0.755nm/RH％，线性相关系数为98.64％。当相对湿度降低时，灵敏度为0.753nm/RH％，线性相关系数为98.76％。

实施例3

本实施例与实施例1类似，区别在于，抛磨深度为56.5μm，抛磨长度为15mm，抛磨面和纤芯的距离为2μm。干涉波谷位置在30RH％时为955.6nm。当相对湿度升高时，灵敏度为0.865nm/RH％，线性相关系数为98.7％。当相对湿度降低时，灵敏度为0.872nm/RH％，线性相关系数为99.02％。