本發(fā)明涉及光纖應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種覆蓋重鉻酸鹽明膠的納米多孔薄膜的側(cè)邊拋磨光纖和制備方法以及濕度傳感器。

背景技術(shù)：

側(cè)邊拋磨光纖(SPF)是在普通通信光纖上，利用光學(xué)微加工技術(shù)，將光纖的部分側(cè)邊包層去掉/拋磨掉所制成的光纖。由于拋磨表面非常接近纖芯，倏逝光可以從纖芯泄露到拋磨表面，形成倏逝場。倏逝場與外界環(huán)境之間有很強(qiáng)的相互作用。由于其制作工藝簡單，并且和光纖系統(tǒng)有很好的兼容性，側(cè)邊拋磨光纖已經(jīng)被應(yīng)用于光纖器件的眾多領(lǐng)域。比如，光纖耦合器，分插濾波器，寬帶光譜控制器。側(cè)邊拋磨光纖還被用來制作各種光纖傳感器件，比如溫度傳感器，應(yīng)變傳感器，折射率傳感器，光功率傳感器，液晶配向傳感器,氫含量傳感器，濕度傳感器。

在不同的濕度傳感器中，光纖傳感器憑借其在惡劣環(huán)境中良好的特性成為傳統(tǒng)傳感器的替代品。長周期光纖光柵濕度傳感器靈敏度高達(dá)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干涉儀結(jié)構(gòu)的光纖濕度傳感器，最大的靈敏度達(dá)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))。最近的相關(guān)研究，為了增強(qiáng)基于光纖的傳感器對(duì)環(huán)境濕度的靈敏性，通過涂覆各種材料在光纖上。比如，覆蓋還原氧化石墨烯的SPF濕度傳感器，靈敏度為0.31dB/(％RH)(Xiao Yi，et al."Fiber-Optic Humidity Sensing Based on Graphene."Acta OpticaSinica.35(4),(2015))。沉積WS2薄膜材料的SPF濕度傳感器，其靈敏度是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濕度傳感器，可以達(dá)到的靈敏度為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))。

本發(fā)明提出了一種基于重鉻酸鹽明膠的納米多孔聚合膜包層結(jié)構(gòu)的SPF濕度傳感器。由于明膠良好的吸水性能和極高的表面體積比，納米多孔聚合膜的有效折射率變化很大。因此它的濕度靈敏度達(dá)到了1.12nm/RH％。這種納米多孔包層結(jié)構(gòu)的SPF在光纖傳感領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種成本低廉，制備方法簡單，且與光纖系統(tǒng)由良好兼容性的拋磨光纖。此外，本發(fā)明還提供了該拋磨光纖的制備方法，以及基于該拋磨光纖的光纖濕度傳感器。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下方案實(shí)現(xiàn)：

一種側(cè)邊拋磨光纖，所述側(cè)邊拋磨光纖的拋磨面覆蓋重鉻酸鹽明膠薄膜，且重鉻酸鹽明膠薄膜具有納米多孔結(jié)構(gòu)。

所述重鉻酸鹽明膠薄膜由重鉻酸銨、明膠和水混合后涂覆于拋磨面而形成。

重鉻酸鹽水溶液加入到生物有機(jī)膠體化合物中會(huì)使化合物具有感光特性，暴露于光的區(qū)域相比于未暴露于光的區(qū)域硬度更大，更不易溶于水。這種不同的溶解度可能會(huì)導(dǎo)致材料在水洗和脫水的過程中厚度和密度發(fā)生變化，從而在薄膜中產(chǎn)生納米多孔結(jié)構(gòu)。重鉻酸銨是一種水溶性非常高的化合物，當(dāng)它加入明膠中后，在明膠干板硬化的過程中不會(huì)產(chǎn)生使光散射的結(jié)晶，因?yàn)榻Y(jié)晶的形成會(huì)使全息圖像產(chǎn)生較大的噪聲。

重鉻酸鹽明膠薄膜的納米多孔結(jié)構(gòu)有很大的表面體積比，這可以很大程度上增強(qiáng)致敏材料和目標(biāo)對(duì)象之間的相互作用。由于明膠良好的吸水性能和極高的表面體積比，納米多孔結(jié)構(gòu)的薄膜的有效折射率變化很大，使得利用本發(fā)明所述的側(cè)邊拋磨光纖制備形成的光纖濕度傳感器的濕度靈敏度達(dá)到了1.12nm/RH％。這種納米多孔包層結(jié)構(gòu)的SPF在光纖傳感領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

進(jìn)一步的，所述側(cè)邊拋磨光纖的拋磨深度為56.5～59.5μm，所述側(cè)邊拋磨光纖的拋磨長度為10～15mm，所述側(cè)邊拋磨光纖的纖芯與拋磨面的距離為-1～2μm。拋磨深度和拋磨長度的增加會(huì)使得側(cè)拋光纖的損耗增大，從而使得長波長的干涉波谷由于損耗過大不能測量，只能通過較短波長的干涉波谷移動(dòng)測量環(huán)境的濕度變化，因此使得濕度靈敏度降低。

進(jìn)一步的，具有納米多孔結(jié)構(gòu)的重鉻酸鹽薄膜的形成方法包括如下步驟：

S1：將重鉻酸銨、明膠和水混合均勻后得到的明膠溶液涂覆在側(cè)邊拋磨光纖的拋磨面形成薄膜；通過重復(fù)調(diào)試，重鉻酸銨和明膠的比值為0.5～2：7得出的結(jié)果較優(yōu)。

S2：將覆蓋在上述側(cè)邊拋磨光纖中拋磨面上的薄膜中的水分進(jìn)行完全蒸發(fā)；

S3：將步驟S2中蒸發(fā)水分后的側(cè)邊拋磨光纖置于激光光束下進(jìn)行曝光，然后再進(jìn)行烘烤；

S4：將上述烘烤后的側(cè)邊拋磨光纖冷卻至室溫后進(jìn)行吸水脫水處理。

所述步驟S4中的吸水脫水處理為：先將側(cè)邊拋磨光纖置于水中吸水，然后將再將其置于異丙醇溶液中脫水，最后將其置于正丁醇溶液中二次脫水，并將二次脫水后的側(cè)邊拋磨光纖中的正丁醇進(jìn)行完全揮發(fā)。進(jìn)行多次脫水是要增強(qiáng)其脫水效果，可以進(jìn)行三次或更多次脫水。但通過使用異丙醇和正丁醇的兩次脫水即可以達(dá)到最好的效果，因此不需要進(jìn)行更多的脫水操作，簡化步驟。使用醇類脫水劑而不使用酮類脫水劑是因?yàn)榇碱愂姑髂z硬化及收縮，因而產(chǎn)生納米多孔結(jié)構(gòu)。而酮類會(huì)使得明膠軟化，容易使得微孔塌陷。

將上述制備的拋磨光纖應(yīng)用于濕度傳感器中制備成光纖濕度傳感器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：通過在側(cè)邊拋磨光纖上覆蓋具有納米多孔結(jié)構(gòu)的重鉻酸鹽明膠薄膜的方式，成功制備了納米多孔包層結(jié)構(gòu)的光纖濕度傳感器，且證明了它適合作為一種全光纖濕度傳感器。由于納米多孔包層結(jié)構(gòu)的側(cè)邊拋磨光纖樣品的纖芯模式和包層模式之間的模間干涉，樣品的透射譜有兩個(gè)波谷，對(duì)應(yīng)波長位置分別是1183.2nm和1324.8nm。當(dāng)相對(duì)濕度升高時(shí)，靈敏度為1.02nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為99.31％。當(dāng)相對(duì)濕度降低時(shí)，靈敏度為1.12nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為98.45％。此外，本發(fā)明的傳感器還具有良好的可重復(fù)性。這種重鉻酸鹽明膠薄膜包層結(jié)構(gòu)的光纖成本低廉，制備方法簡單，與光纖系統(tǒng)有潛在的良好的兼容性。

附圖說明

圖1a為側(cè)邊拋磨光纖的剖面示意圖；

圖1b為光纖拋磨面的掃描電鏡圖；

圖2a為固定在玻片上的拋磨面朝上的光纖；

圖2b為涂覆重鉻酸鹽明膠薄膜的側(cè)邊拋磨光纖的橫截面的示意圖；

圖3為濕度傳感實(shí)驗(yàn)裝置圖；

圖4a為具有納米多孔包層結(jié)構(gòu)的側(cè)邊拋磨光纖樣品和單純的側(cè)邊拋磨光纖的傳輸光譜；

圖4b為模間干涉示意圖；

圖5為相對(duì)濕度升高過程中的透射譜變化；

圖6為相對(duì)濕度降低過程中的透射譜變化；

圖7為樣品透射譜波谷初始位置為1324.8nm處對(duì)應(yīng)不同濕度的漂移位置。

具體實(shí)施方式

為了讓本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

實(shí)施例1

一、樣品的制作

側(cè)邊拋磨光纖由輪式拋磨系統(tǒng)制備而成，通過拋磨的方式破壞了包層中倏逝場的完整性，通過改變拋磨面上所涂覆的材料及其結(jié)構(gòu)可以控制光纖的倏逝場強(qiáng)度，最終達(dá)到控制整個(gè)傳輸光譜的目的。測量側(cè)拋區(qū)域剩余厚度的儀器(XS-01-05-001)的分辨率是0.1μm。圖1(a)為拋磨光纖的剖面示意圖(1：纖芯；2：單模光纖；L1：拋磨區(qū)長度；L2：平坦區(qū)長度；D：拋磨深度)，它顯示拋磨長度為10mm，其中平坦區(qū)長度為5.5mm，拋磨深度58.3μm。實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖為SMF-28e，其直徑和纖芯直徑分別為125μm和8μm，拋磨面和纖芯的距離是0.2μm。磨掉的包層會(huì)形成倏逝場繼而與明膠薄膜耦合并改變傳輸光譜。圖1(b)是光纖的拋磨面的掃描電鏡圖，拋磨面的粗糙度為20nm。足夠長的拋磨平面區(qū)域和足夠深的拋磨深度增強(qiáng)了涂覆層與纖芯的傳播模式的耦合強(qiáng)度。

涂覆層為重鉻酸鹽明膠凝膠(DCG)，它是由重鉻酸銨、明膠和水混合制作而成。重鉻酸銨、明膠和水配制的重量比為1：7:30。將混合溶液放置于60℃水浴環(huán)境中利用磁力攪拌器攪拌1.5h使凝膠溶液混合均勻，得到明膠溶液。將明膠溶液涂覆在拋磨面朝上的光纖上，光纖是被固定在玻璃片上的，如圖2(a)所示。完成涂覆工藝之后，將樣品(涂覆DCG薄膜的SPF)置于干燥箱中4天，使薄膜中水分充分蒸發(fā)。干燥箱的溫度和濕度分別為28.6℃和46％RH。圖2(b)是涂覆DCG薄膜的SPF的橫截面。DCG薄膜均勻的涂覆在SPF的拋光表面上。

為了使DCG薄膜形成納米多孔結(jié)構(gòu)，涂覆DCG薄膜的SPF在寬帶激光光束下曝光3分鐘。寬帶激光光束的光強(qiáng)是0.3mW/cm2。實(shí)驗(yàn)中使用的光源是波長為442nm氦鎘激光器(KIMMON IK4301R-D)。然后把涂覆DCG薄膜的SPF放置在80℃的烤盤上硬化10分鐘。待樣品冷卻至室溫后對(duì)樣品進(jìn)行吸水脫水的處理，首先將樣品置于10℃的蒸餾水中10min，然后將樣品放置于65℃的異丙醇溶液中脫水5min，最后將樣品置于30℃正丁醇溶液中進(jìn)行第二次脫水，脫水時(shí)間為5min。三個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行，吸水脫水過程結(jié)束后，將樣品放置在28.6℃和相對(duì)濕度為46％的干燥箱中1小時(shí)，使微孔中正丁醇溶液全部揮發(fā)。圖2(c)和(d)分別是涂覆了DCG凝膠的SPF和納米多孔結(jié)構(gòu)的薄膜的橫截面的掃描電鏡圖。如圖2(c)DCG膜均勻涂在拋光表面，其厚度為1.36μm。圖2(d)可觀察到無序排布的納米多孔結(jié)構(gòu)。盡管DCG薄膜是隨機(jī)的納米多孔結(jié)構(gòu)，但是薄膜保持了高度透明的形態(tài)。這是由于在DCG膜對(duì)隨機(jī)納米多孔的散射效率極低。

二、實(shí)驗(yàn)

圖3所示為濕度傳感實(shí)驗(yàn)裝置圖(3：超連續(xù)激光器；4：光纖光譜分析儀；5：覆蓋納米多孔包層的側(cè)邊拋磨光纖；6：熱電偶溫度探測計(jì)；7：管式溫控爐)。光源為波長范圍為420-2400nm的超連續(xù)譜光源(sc400-4，fianium公司)，一個(gè)恒溫恒濕箱(BPS-100CL,濕度測量范圍35-95％RH,上海一恒科技有限公司)用來控制樣品的溫度和濕度。溫濕度計(jì)的探頭固定在樣品上用來讀取恒溫恒濕箱內(nèi)實(shí)際的溫度。一臺(tái)光譜分析儀(AQ6317C,YOKOGAWA電子公司)用來測量傳輸光譜。為了保證樣品對(duì)濕度保持最高的敏感度，恒溫恒濕箱內(nèi)溫度控制為45℃，濕度測量范圍為30％RH-50％RH。在實(shí)驗(yàn)過程中，濕度每次升高(或降低)2％RH，每個(gè)濕度保持10分鐘來保證濕度恒定。

圖4(a)是具有納米多孔包層結(jié)構(gòu)的SPF樣品和單純的SPF的傳輸光譜。位于上方的實(shí)線是SPF的傳輸光譜，位于下方的實(shí)線是具有納米多孔包層結(jié)構(gòu)的SPF樣品的傳輸光譜。具有納米多孔結(jié)構(gòu)的SPF樣品的傳輸光譜可觀察到兩個(gè)透射谷，對(duì)應(yīng)波長分別是1183.2nm和1324.8nm。調(diào)制幅度分別為7dB和8dB，這是樣品的纖芯模和納米多孔結(jié)構(gòu)的包層模發(fā)生了模間干涉。

此外，透射光譜對(duì)濕度表現(xiàn)出顯著的敏感性。圖5顯示了納米多孔結(jié)構(gòu)的SPF透射光譜在相對(duì)濕度增加過程中的透射譜；圖6顯示納米多孔結(jié)構(gòu)的SPF透射光譜在相對(duì)濕度降低過程中的透射譜。隨著濕度的升高，透射谷的位置發(fā)生了紅移。這是由于隨著濕度的升高，納米多孔包層中原來充滿空氣的微孔被水分子填充，導(dǎo)致納米多孔包層的有效折射率增加。包層有效折射率增加的幅度比纖芯有效折射率減小幅度大的多，因此透射谷對(duì)應(yīng)波長增加。

由于明膠具有較高的折射率，光纖傳輸?shù)囊徊糠止怦詈系矫髂z薄膜中，以包層模式在明膠層中傳播，另一部分光在纖芯中傳輸，在包層模式下傳播的光束再次耦合到纖芯模式，兩束想干光存在一定的光程差，當(dāng)光程差滿足相位匹配條件時(shí)，兩束特定波長的光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

相位匹配公式如下：

和分別表示纖芯模和包層模的有效折射率，L為拋磨區(qū)長度，m是一個(gè)任意的整數(shù)，λ是傳輸光的透射谷對(duì)應(yīng)的波長。

因?yàn)镈CG膜層的折射率為1.53(大于纖芯)，比大，當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，由于材料的親水性，和變大。因?yàn)榧{米多孔包層中原來充滿空氣的微孔被水分子填充，納米多孔包層的有效折射率的增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纖芯的有效折射率。依據(jù)相位匹配公式，樣品的透射谷對(duì)應(yīng)的波長λ隨著相對(duì)濕度的增加而顯著增加。它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的對(duì)應(yīng)性。

圖7顯示樣品初始狀態(tài)下透射譜波谷位置為1324.8nm處在不同濕度下透射譜波谷的位置漂移過程。30％RH至50％RH濕度變化范圍是，傳輸谷紅移了22nm。在圖7中，圓形的點(diǎn)是在相對(duì)濕度增加的過程中樣品透射谷的位置變化曲線，對(duì)應(yīng)的線條是線性擬合曲線。靈敏度為1.02nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為99.31％。三角形的點(diǎn)是在相對(duì)濕度降低過程中樣品透射谷的位置變化曲線，對(duì)應(yīng)的線條是線性擬合曲線。靈敏度為1.12nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為98.45％，并且圖7中兩條曲線幾乎重疊。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，可以說明納米多孔包層光纖傳感器具有良好的可重復(fù)性。

三、總結(jié)

通過在側(cè)邊拋磨光纖上覆蓋具有納米多孔結(jié)構(gòu)的DCG薄膜的方式，成功制備了納米多孔包層結(jié)構(gòu)的光纖濕度傳感器。它適合作為一種全光纖濕度傳感器。由于納米多孔包層結(jié)構(gòu)的SPF樣品的纖芯模式和包層模式之間的模間干涉，樣品的透射譜有兩個(gè)波谷，對(duì)應(yīng)波長位置分別是1183.2nm和1324.8nm。當(dāng)相對(duì)濕度升高時(shí)，1324.8nm波谷處波長位置相對(duì)于濕度的靈敏度為1.02nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為99.31％。當(dāng)相對(duì)濕度降低時(shí)，靈敏度為1.12nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為98.45％。此外，該傳感裝置還具有良好的可重復(fù)性。這種DCG薄膜包層結(jié)構(gòu)的光纖成本低廉，制備方法簡單，與光纖系統(tǒng)有潛在的良好的兼容性。

實(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1類似，區(qū)別在于，拋磨深度為59.5μm，拋磨長度為15mm，拋磨面和纖芯的距離為-1μm(即纖芯被拋磨掉1μm)。干涉波谷位置在30RH％時(shí)為819.6nm。當(dāng)相對(duì)濕度升高時(shí)，靈敏度為0.755nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為98.64％。當(dāng)相對(duì)濕度降低時(shí)，靈敏度為0.753nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為98.76％。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)施例1類似，區(qū)別在于，拋磨深度為56.5μm，拋磨長度為15mm，拋磨面和纖芯的距離為2μm。干涉波谷位置在30RH％時(shí)為955.6nm。當(dāng)相對(duì)濕度升高時(shí)，靈敏度為0.865nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為98.7％。當(dāng)相對(duì)濕度降低時(shí)，靈敏度為0.872nm/RH％，線性相關(guān)系數(shù)為99.02％。