基于空芯光纤反谐振反射光波导的湿度传感器的研究报告

本文旨在介绍一项关于新型光纤湿度传感器的原创性研究，该研究由宁波大学红外材料及器件实验室等机构的程翱、王超奇、徐嘉栋、张培晴、郑宇及戴世勋（通讯作者）共同完成。该研究成果以题为“Humidity sensor based on a hollow core fiber anti-resonant reflection optical waveguide”的论文形式，发表于《Photonic Sensors》期刊2025年第15卷第2期（文章ID：250202）。

一、 研究的学术背景

该研究属于光纤传感技术领域，具体聚焦于利用光纤进行环境湿度的高性能测量。相对湿度（RH）的精确检测在功能性呼吸测试、农业食品安全、精密电子制造等诸多工业领域扮演着至关重要的角色。与传统电学式湿度传感器相比，光纤传感器因其抗电磁干扰、精度高、响应快等优势而备受关注。在众多光纤传感机制中，基于反谐振反射光波导（ARROW）原理的传感技术因其结构简单、制备便捷且灵敏度高而成为一种有效的测量手段。

研究团队指出，尽管基于ARROW效应的空芯光纤（HCF）已被应用于温度、磁场、液位和气体压力等传感领域，但关于其用于湿度传感的报道相对较少。现有的一些研究或因为所用光纤包层直径较大导致稳定性和灵敏度不足，或因为采用的激光诱导石墨烯（LIG）涂层需要严格控制石墨烯的结晶度、厚度和孔径尺寸而使得工艺复杂、重复性差。此外，一些基于侧边抛磨单模光纤（SMF）或腰锥放大SMF结构的湿度传感器虽然灵敏度较高，但制备过程复杂，重复制备困难。因此，开发一种兼具高稳定性、高灵敏度且制备工艺简单的光纤湿度传感器成为该领域的研究重点。本研究的目标即在于此，提出并验证了一种基于氧化石墨烯（GO）复合薄膜涂层的空芯光纤ARROW湿度传感器。

二、 研究的详细工作流程

本研究包含传感器设计与制备、工作原理分析、光学特性表征、湿度与温度传感性能测试以及稳定性验证等多个环节。具体流程如下：

1. 传感器设计与制备：该传感器采用经典的SMF-HCF-SMF（SHS）结构。首先，使用光纤切割刀获取平滑端面的标准单模光纤（SMF）和空芯光纤（HCF，型号PI12520201012，内外径分别为30 µm和125 µm）。随后，利用光纤熔接机（型号FSM-100P），在特定的电弧参数（功率-45位，间隙15 µm，时间300 ms）下，将一段7 mm长的HCF熔接在两段SMF之间，形成SHS传感结构。此步骤的关键在于精确控制熔接参数以避免HCF空芯塌缩。接下来进行GO涂层沉积。研究团队选用浓度为0.5 mg/mL的GO分散液（型号HQNano-GR-006）。采用光驱动沉积法：将制备好的SHS传感结构连接至光源和光功率计，将其HCF传感区域用酒精擦拭后浸入GO溶液中30分钟。利用激光的光压和热效应，使GO层沉积在传感区表面。将传感器置于恒温箱中干燥24小时以确保涂层牢固附着。为了探究涂层厚度（即沉积次数）对性能的影响，研究团队制备了未涂层、涂覆1次、3次和5次GO的四种样品。扫描电子显微镜（SEM）图像证实，随着涂覆次数增加，HCF表面的GO层厚度也逐步增加（单次涂覆厚度约30 nm）。

2. 实验系统搭建与光学表征：研究团队搭建了用于测量传感器传输光谱和湿度响应的实验系统。该系统以覆盖1530-1610 nm波段的放大自发辐射（ASE）光源（GO-ASE）作为输入，传感器的输出光谱由波长分辨率为0.01 nm的光谱分析仪（AQ6375）记录。首先，他们在恒温（25°C）环境下，对所有四种样品（7 mm HCF，涂层周期分别为0、1、3、5次）进行了光学传输光谱的测试。此外，为了验证涂层的普适性，还额外测试了一段10 mm长、未涂层和涂覆3次GO的HCF样品作为对比。

3. 湿度传感性能测试：将涂有不同周期GO的传感器样品置于工业级温湿度箱（WGDW-100）内。为排除温度干扰，实验温度严格控制在25°C，相对湿度测试范围为30% RH至78% RH。针对每个样品，在设定的不同湿度点下，记录其传输光谱的变化，重点观察特定谐振波谷（Dip）处光强度的变化。

4. 温度交叉敏感性测试：为了评估温度对湿度传感的影响，研究人员对涂覆1次GO的传感器（Dip 1）进行了温度敏感性测试。在湿度恒定（具体值未明确给出，但应控制为恒定）的条件下，将温度从25°C升至85°C，观察其谐振波谷波长的漂移情况。

5. 稳定性测试：评估了GO复合薄膜涂层传感器的长期稳定性。将传感器置于恒定的42% RH和66% RH环境中（温度25°C），每隔10分钟记录一次Dip 1处的光强，持续约100分钟，观察其波动情况。

三、 研究的主要结果

研究结果通过详细的实验数据得到了清晰呈现：

1. 光学特性结果：未涂层的SHS结构在传输光谱中观测到三个谐振波谷（Dip），位置分别在1541.4 nm、1565.74 nm和1591.01 nm，对应的自由光谱范围（FSR）为24.3 nm。涂覆GO后，光谱发生显著变化：① 涂覆1次GO后，谐振波谷的位置和消光比（波谷深度）变化不大。② 涂覆3次和5次GO后，三个谐振波谷平均发生了红移（分别偏移约2.65 nm和4.30 nm），消光比显著增大（分别增大约1.94 dB和6.64 dB），但FSR保持不变。这可以通过ARROW理论模型（公式3）解释：GO涂层的引入，其折射率n2和厚度d2的增加共同导致了谐振波长的红移。同时，GO层改变了光纤包层与外界环境界面的反射特性，导致满足谐振条件的光能量泄漏减少，部分能量被反射回纤芯，从而降低了消光比。GO材料本身的光吸收特性也可能进一步降低消光比。10 mm长HCF样品的对比实验结果（涂覆3次GO后消光比降低2.36 dB，谐振波长平均红移1.74 nm）与7 mm样品趋势一致，证实了涂层影响的普适性，并指出微小的差异可能源于涂层不均匀性。

2. 湿度传感灵敏度结果：这是本研究的核心发现。在30%-78% RH的湿度范围内，通过监测Dip处光强度的变化（而非波长漂移）来检测湿度。结果表明，GO涂层的厚度（涂覆次数）对灵敏度有决定性影响：

   • 涂覆1次GO：获得了最高的湿度灵敏度，达 0.12 dB/%RH（线性拟合决定系数R²=0.99468）。随着湿度增加，谐振波谷的光强（透射损耗）逐渐减小。其机理在于：GO表面含有大量的含氧官能团（-COOH, -OH），能够吸附水分子。湿度增加时，GO吸附的水分子增多，导致其有效折射率下降（公式7描述了GO电导率/介电常数随环境变化的理论模型）。根据ARROW模型，当GO层折射率降低时，在光纤包层与GO层界面处满足全反射条件的光增多，导致泄漏到外部环境的光减少，从而使传输光谱中谐振波谷处的光强（即损耗）降低。
   • 涂覆3次GO：灵敏度下降至 0.076 dB/%RH。
   • 涂覆5次GO：灵敏度进一步下降至 0.036 dB/%RH。 这一现象说明，较薄的GO涂层（1次涂覆）对水分子引起的折射率变化更为敏感。随着涂层增厚，传感器对湿度变化的响应幅度（光强变化量）减弱，灵敏度随之降低。

3. 温度交叉敏感性结果：在温度敏感性测试中，涂覆1次GO的传感器Dip 1的谐振波长随温度变化的灵敏度约为 10 pm/°C。这一数值远低于其湿度灵敏度（0.12 dB/%RH，相当于显著的强度变化），表明该传感器在25-85°C范围内，温度对湿度测量的交叉敏感性较低，但仍需注意剧烈的温度变化可能对检测产生潜在影响。

4. 稳定性结果：在恒定的42% RH和66% RH环境下，传感器Dip 1的光强最大波动分别为4%和1.82%，表现出良好的短期稳定性。轻微的波动可能源于激光光源的不稳定或温湿度箱内气流的扰动。

四、 研究的结论与意义

本研究成功设计并制备了一种基于GO复合薄膜涂层的空芯光纤ARROW湿度传感器。研究得出结论：利用ARROW效应，通过监测谐振波谷光强度的变化可以实现对相对湿度的稳定检测。传感器的灵敏度取决于GO涂层的厚度，在单次涂覆时达到最高灵敏度0.12 dB/%RH。随着涂层次数增加，灵敏度下降。

该研究的科学价值在于，系统性地揭示了GO涂层厚度对基于强度解调的HCF-ARROW湿度传感器性能的影响规律，为优化此类传感器的设计提供了明确的实验依据和理论参考。在应用价值方面，该传感器结构简单（SHS熔接结构）、制备容易（成熟的熔接技术和易得的GO涂层）、成本低廉，并且展现出良好的稳定性和较高的灵敏度，使其在海洋气候监测、隧道空气湿度检测、农业测试、电子制造以及生物工程等需要高稳定、低成本湿度监测的领域具有广阔的应用潜力。

五、 研究亮点

1. 高灵敏度与稳定性兼备：在简单的SHS结构基础上，通过优化GO涂层工艺（单次涂覆），实现了0.12 dB/%RH的较高湿度灵敏度，并验证了其良好的短期稳定性。
2. 工艺简单且重复性好：传感器核心制备步骤为常规的光纤熔接和光驱动GO沉积，相比需要复杂抛磨、拉锥或精密控制石墨烯生长参数的工艺，本方法更易于实现和重复。
3. 明确的参数优化指导：研究通过对比实验，明确给出了GO涂层厚度（涂覆次数）与灵敏度之间的负相关关系，为后续研究者选择最佳涂层参数提供了直接依据。
4. 创新的解调机制：该传感器主要基于光强度变化进行解调，而非更复杂的光波长漂移解调。强度解调系统通常更简单、成本更低，有利于实际应用。
5. 较低的温敏特性：实验证明在宽温度范围内，传感器的温度交叉敏感性较低，有利于在温变环境中进行准确的湿度测量。

六、 其他有价值的讨论

研究者在论文的“讨论”部分，通过与其他已报道的光纤湿度传感器进行对比（见表1），进一步凸显了本工作的优势。对比发现，本传感器的灵敏度高于一些基于倾斜光纤光栅（0.027 dB/%RH）、U型弯曲塑料包层光纤（0.04 dB/%RH）和琼脂糖凝胶涂覆无芯光纤（0.075 dB/%RH）的传感器。虽然其灵敏度低于一些基于LIG涂层HCF（0.187 dB/%RH）、GO/PVA腰锥放大SMF（0.193 dB/%RH）和还原氧化石墨烯侧抛光纤（0.31 dB/%RH）的传感器，但本研究提出的传感器在制备简易性和重复性上具有显著优势。LIG涂层需要严格控制生长条件，而侧抛和拉锥工艺则增加了制备难度和成本。因此，本研究提出的方案在性能、制备难度和成本之间取得了良好的平衡。