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基于混合等离子体波导布拉格光栅的温湿度传感器

2024-12-03 76 上传者：管理员

摘要：光纤温湿度传感器因其易集成、抗电磁干扰及耐腐蚀等特性，在医疗、生物等领域得到广泛应用。聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol,PVA）材料因其独特性质常用于湿度传感。为此，设计了一种结合聚乙烯醇的温湿度敏感特性与表面等离子体共振原理（Surface Plasma Resonance,SPR）并实现高灵敏度的光纤混合等离子体波导温湿度传感器，并进行了仿真验证。该传感器是由PVA光纤两端搭连微纳米光纤制成的，并在PVA光纤下方放置金属光栅衬底，通过表面等离子效应来增强其传感灵敏度。研究发现，在20%～90%RH范围内，传感器的灵敏度为-1.750 31 nm/%RH；在20～90℃温度范围内，其温度灵敏度为-0.518 93nm/℃。结果表明，波长偏移与外部参数（温度和湿度）之间有良好的线性关系。

关键词：
光纤传感
布拉格光栅
温湿度传感
聚乙烯醇
表面等离子共振
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1、引言

在气象观测、工农业、航空航天、食品和药品储存等制造领域，对湿度和温度有着严格要求，因此，对这两个参数的检测变得尤为重要。温湿度传感器近年来得到了大力发展和应用。传统的电子式温湿度传感器易受电磁干扰，灵敏度低，响应时间长，限制了其性能和应用范围。相比之下，光纤传感器以其微型化、易于集成、生产成本低、抗电磁干扰、分辨率高等优点越来越被研究人员用于研究和实际运用[1]。近年来，各种光纤结构被用于相对湿度（RH）传感器的设计，包括干涉仪[2-4]、长周期光纤光栅[5,6]、光纤布拉格光栅[7,8]、微光纤[9,10]和聚合物光纤[11,12]。利用各种湿敏材料，如聚乙烯醇（PVA)[13]、聚酰亚胺（PI)[14]、琼脂糖[15]、明胶[16]、氧化石墨烯[17]等，克服了硅基光纤的局限性，提高了其相对湿度的灵敏度。其中聚乙烯醇（PVA）是一种常用的吸湿材料，具有优良的光学性能，在室温下呈现为乳白色或略带黄色的蜡质片状或颗粒状。它的应用领域很广，可以加工成木材粘合剂[18]、塑料薄膜[19]、电池[20]和纸张涂层[21]等。当PVA暴露在潮湿环境中时，其折射率（RI）会受到周围相对湿度的显著影响。在过去的十年中，研究人员已经报道了多种基于PVA湿敏涂层的光纤湿度传感器。2012年，Wong[22]等人提出了一种PVA涂层PCF传感器来测量环境RH，在30%～90%的RH范围内，灵敏度达到0.60 nm/RH%。2016年，Zhao[23]等提出了一种在光子晶体（PC）腔体上涂覆聚乙烯醇（PVA）的相对湿度传感器，湿度灵敏度可达129 pm/%RH。上述传感器只能测量湿度，而温度和湿度作为两个密切相关的参数，在同一应用场景下往往需要同时测量。2021年，Wang利用PVA涂层侧抛光聚合物纤维（POF）的SPR效应对相对湿度传感器进行了研究[24]。在30%～90%的湿度范围内，该器件的灵敏度为4.98 nm/%RH。然而，其他因素对湿度测量的影响，如温度，是一个关键问题。因此，人们对湿度和温度的同时测量进行了一些研究。Wu提出了一种基于PVA涂层的开腔FPI传感器的温湿度传感器[25]。2023年，Chen提出了一种由涂覆PVA纳米纤维的u型微纤维传感器构建的传感结构[26]。这些工作表明，通过光纤传感器结构的设计，可以实现温湿度双参数测量，从而消除交叉灵敏度。

本文介绍了一种用于同时测量湿度和温度的混合等离子体波导布拉格光栅。该传感器由PVA光纤与微纳光纤相连接，同时使用金属光栅作为衬底，传感器的灵敏度以波长漂移的变化为特征。对金属表面等离子体极化模式与聚乙烯醇纤维介电模式耦合激发的杂化等离子体模式进行了理论模拟和分析。该传感器根据PVA的折射率对温度和湿度的不同反应实现测量且制造简便、成本低廉、结构新颖，有望应用于更多领域。

2、传感原理

2.1器件结构

传感器结构如图1所示。柔韧的PVA超细纤维伸直状态下水平接触在金属光栅上，由于范德华力和静电力的存在，纳米级PVA光纤一旦与金属接触，将会粘连在一起，金属光栅由金（Au）条和空气槽的交替排列组成。PVA微纤维的两端搭连微纳光纤用于输入和输出。金属光栅背面有Si O2衬底，底层有硅基。设置金属光栅的宽度、长度和厚度分别表示为w、L和d，空气细缝的宽度为v,N为金属光栅的周期数目，纳米光纤和水凝胶的半径均为R，如图1所示。因此，沿水凝胶光纤的金属光栅周期为Λ=(w+v)，金属光栅与水凝胶的接触长度为L0=N*Λ。布拉格波长λB可描述为[27]

式中，neff=(wneff1+vneff2)/(w+v),neff1和neff2分别对应有金属条存在和无金属条存在时PVA超细纤维的模态有效指数。为了分析光在PVA水凝胶下光纤中的传输特点，用三维有限域时差分软件（FDTD Solutions）对该结构光纤内的光传输进行模拟仿真。在入射光中心波长为1 550 nm情况下，设定w=260 nm,d=500 nm，金属光栅的Λ=650 nm，纳米光纤和PVA光纤的初始半径R为700 nm,N=40。在TM模式下，主电场垂直于金属光栅，在TE模式下，主电场平行于金属光栅。图2展示了在不同极化状态下，该结构的反射峰的中心波长的仿真结果。

图1 传感器结构示意图

图2 模拟得到的在TE和TM偏振下的反射光谱

比较输入不同偏振光得到的反射光谱，可以发现TM偏振下的反射光谱具有更明显的反射峰。这是因为输入模式为TE模时，由于电场的方向和金属光栅表面平行，因此电场和金属光栅中的自由电子的相互作用很弱，不容易激发等离子模式，光强能量大部分集中在光纤上，而TM偏振下电场和和金属光栅表面垂直，与其中的自由电子发生相互作用，从而激发波导的等离子模式，使得光的电场和金属的自由电子之间的相互作用增强[27]。在接下来的仿真研究中，我们只关注TM模式，因为它比TE模式具有更好的性能。从图2中还可以看出，在TM偏振光的反射光谱图中有两个反射峰，其中心波长分别位于1 507 nm波长和1 651 nm波长处。重点对这两个波长进行详细分析。入射光源的波长分别设定为两个反射峰的中心波长，模拟得到的模场分布如图3所示。如图3(a）和（b）所示，我们发现光在PVA光纤中以驻波的形式传输。其原理是入射光和金属光栅之间存在两个光场的干涉，即入射光的光场和金属光栅引起的反射光的光场。如图3(c）和（d）所示，输入光在水凝胶光纤中传输时只有一个模式，没有发生干涉现象，模场呈现行波状态。因此位于1 651 nm波长处的反射峰是由表面等离子体模的基模形成的，其模场主要分布在水凝胶光纤的中心。波长为1 507 nm的反射峰是由表面等离子体的高阶模引起的，其模场主要分布在光纤与空气的界面处。当PVA光纤与金属接触时，模场将远离金属，而当PVA光纤与空气接触时，将推动模场靠近金属。因此，可以推断出反射谱中得到的两个峰分别是基模和高阶模的反射峰。

图3 (a）波长为1 507 nm时x-y平面上的光电场强度图；（b）放大图，显示波长为1 507 nm时的驻波光场图（沿虚线（i）和（ii）的横截面场）；（c）波长为1 651 nm时x-y平面上的光电场强度模式；（d)1 651 nm波长处的光场图案放大图

2.2器件结构理论分析

根据式（1）所示，neff依赖于PVA微光纤直径d，在确定金属光栅种类、周期以及占空比后，我们进一步研究了PVA超细光纤直径D、耦合长度L、金属光栅厚度d和PVA超细光纤与金属光栅接触角θ对器件反射光谱的影响，如图4所示。从图4(a）可以看出，随着光纤直径从0.8μm逐渐增加到1.6μm，短波峰值经历了一个先增长后收缩的过程，峰值变得更为尖锐；而与此同时，长波峰值则持续减小，且峰宽逐渐增加。这一趋势表明，PVA光纤直径的变化对反射光谱有着显著的影响。综合考虑反射光谱的特性，发现当光纤直径在1.2～1.4μm之间时，可以获得最佳的反射光谱性能。确定了PVA光纤直径参数，接下来为了更深入地探究PVA光纤与金属光栅之间耦合长度对传感器性能的影响，我们详细仿真了在耦合长度分别为26μm、52μm、78μm、104μm和130μm时传感器的反射光谱变化，如图4(b）所示。当耦合长度为26μm时，观察到基模反射峰的强度与高阶模式反射峰基本相同，形成了一种平衡状态。然而，随着耦合长度的逐渐增加，基模反射峰的强度开始逐渐增强，基模反射峰的强度开始超过高阶模式反射峰，并且两个反射峰都变得更为突出，反射光谱的带宽也逐渐变窄。这一观察结果表明，在耦合长度增加的过程中，基模反射峰与高阶模式反射峰之间的强度关系发生了显著变化。此外，随着耦合长度的增加，反射光谱的带宽变窄，这意味着传感器对特定波长的响应变得更加敏感。通过调整耦合长度，可以优化传感器的反射光谱特性，提高其灵敏度和选择性。接着从图4(c）中可以看出，随着金属光栅厚度的增加，反射谱的基膜与高阶模式反射峰的峰值和带宽都明显逐渐变弱变窄。确定了光纤直径大小、PVA光纤与金属光栅耦合长度和金属光栅厚度后，还探究PVA光纤与金属光栅之间的接触角度对传感器性能的影响。对不同夹角（如0°、10°、20°、30°）下的传感器结构进行了仿真研究，如图4(d）所示。当PVA光纤与金属光栅正交时，夹角θ=0°。仿真结果表明，随着接触角的增大，反射峰的中心波长向长波长移动且反射峰的强度还随着接触角的增大而逐渐减小至几乎为0。这一现象可能与光在PVA光纤和Au光栅之间的耦合效率有关。随着接触角的增加，光在两者之间的耦合可能变得更加困难，导致反射峰强度降低。在设计和应用PVA光纤金属光栅传感器时，了解和利用接触角对反射峰强度的影响，有助于提高传感器的灵敏度和可靠性，可以优化传感器的反射特性，使其更适合于特定的传感需求。根据仿真结果，设定PVA光纤与金属光栅之间的接触角度为0°时，传感器的性能效果应该是最合适的。上述结论为实际制备传感器时提供了重要的参考依据。

图4 计算不同（a)PVA微纤维直径、（b）耦合长度、（c）金属光栅厚度和（d）接触角下的反射光谱

3、传感特性

3.1湿度传感性能仿真分析

为了评估PVA光纤传感器在湿度传感方面的性能，设定在20℃的室温条件下，仿真结果如图5(a）所示。随着相对湿度从20%RH增加到90%RH，传感器的两个反射峰（基模和高阶模式）均发生蓝移，即波长向较短方向移动。这是由于PVA材料的高亲水性导致折射率随湿度增加而降低。在测试范围内，基模反射峰从1.650 83μm漂移至1.528 396μm，高阶模式则从1.507 4μm漂移至1.416 03μm。

图5 (a）不同相对湿度下的反射光谱；（b）相对湿度和波长偏移之间的关系；（c）相对湿度和中心波长的关系

图5(b）展示了相对湿度与波长偏移的关系，红点和黑点分别代表基模和高阶模式的中心波长偏移。在测试范围内，红点的最大波长漂移为122.44 nm，灵敏度为-1.750 31 nm/%RH；黑点最大漂移91.37 nm，灵敏度为-1.307 45 nm/%RH。图5(c）显示出在40%～90%RH范围内，两个峰的中心波长与湿度呈良好线性关系，最大灵敏度达-1.555 06 nm/RH%，显示出PVA光纤传感器在湿度传感方面的高灵敏度和线性响应特性，为实际应用提供了可靠基础。

3.2温度传感性能仿真分析

在20%RH的相对湿度环境下，深入研究了PVA光纤传感器对温度变化的响应特性。由于PVA光纤的折射率会随着温度的波动而发生变化，PVA热膨胀系数σPVA约为1×10-4/℃[28]，热光系数βPVA为-5.432×10-4。尽管热膨胀会导致PVA光纤的半径和长度在纳米级别上发生细微的变化，但这种变化对波长漂移的影响相对较小。因此在本次研究中忽略热膨胀对PVA光纤性能的影响。因此，PVA光纤折射率随温度的变化关系可以简化为仅与热光系数相关的表达式：

其中，Δnc表示PVA光纤折射率的变化量，ΔT表示温度的变化。为了分析传感器在不同温度下的光谱响应特性，逐步将温度调整至20℃、40℃、60℃、80℃和100℃，并详细记录了PVA光纤在这些温度条件下的反射光谱及波长偏移情况，如图6所示。

图6 (a）不同温度下的反射光谱；（b）温度和波长偏移之间的关系；（c）温度和中心波长的关系

图6(a）清晰地展示了随着温度的上升，反射光谱呈现出蓝移趋势，显示仿真结果与理论预测相吻合。图6(b）进一步揭示了温度与波长偏移之间的关系，通过两个数据集进行展示。数据表明，波长偏移与温度之间呈现出显著的线性关系。经过计算得出黑点和红点的测量灵敏度分别为-0.378 23 nm/℃和-0.518 93 nm/℃。图6(c）显示出在20～100℃范围内，两个峰的中心波长与湿度呈良好线性关系，这一发现为PVA光纤传感器在温度监测领域的应用提供了有力的实验依据。

3.3同时测量相对湿度和温度

由于这两种等离子体模式对PVA超细光纤的折射率变化和体积膨胀具有不同的敏感性，因此可以使用下面的系数矩阵来区分RH和温度的监测：

其中KT0,KRH0和KT1,KRH1分别为表面等离子共振引起的高阶模峰值贡献和基膜峰值贡献的温度和相对湿度敏感性，Δλ0、Δλ1分别表示基模共振峰和高阶模共振峰引起的波长偏移，而相对湿度和温度变化分别为ΔRH和ΔT。

根据式（3），代入相对应的数据，通过矩阵运算，我们可以得到：

4、结论

本文设计了一种新型水凝胶光纤温湿度传感器，该传感器在PVA光纤两端连接微纳光纤，通过在PVA光纤下方放置金属光栅，使传输光与金属光栅产生SPR效应，最终实现了温湿度双参量的高灵敏度测量。实验结果表明，共振峰的中心波长随着湿度增加而向短波长方向偏移。其中，在20%～90%RH的湿度变化范围内，传感器对湿度变化的平均灵敏度达到-1.750 31nm/%RH；在20～90℃的温度变化范围内，传感器对温度变化的平均灵敏度达到-0.518 93nm/℃。本文提出的温湿度传感器具有灵敏度高、量程广、稳定性好等特点，可应用于温湿度传感领域。

基金资助:国家自然科学基金(11804133);江西省主要学科学术和技术带头人培养项目(20232BCJ22012);江西省教育厅科学技术研究重点项目(GJJ2200306)资助;

文章来源:胡光熹,曽佳雨,罗海梅.基于混合等离子体波导布拉格光栅的温湿度传感器[J].光学与光电技术,2024,22(06):59-67.