本文介绍的研究是一篇发表在 《Photonic Sensors》 期刊 2025年第15卷第4期上、题为 “Ultra-Wide Detection Range of Fiber Optic Temperature Sensor Based on Polydimethylsiloxane Film-Coated Tapered Single-Mode Fiber” 的原创学术研究论文。研究团队主要来自中国 燕山大学 的 State Key Laboratory of Metastable Materials Science & Technology 和 Key Laboratory for Microstructural Material Physics of Hebei Province，第一作者为 Sa Zhang，通讯作者为 Hailiang Chen。以下是对这项研究的详细学术报告。
本研究由Sa Zhang、Hailiang Chen*、Xiaoya Fan、Sajid Ullah、Hongwei Li、Lida Li、Ruyue Shi、Mingqi Gu、Meiyu Cai、Junling Hu、Shaoyu Jia 和 Shuguang Li 合作完成。研究人员主要来自燕山大学的亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室和河北省微结构材料物理重点实验室（隶属燕山大学理学院），以及燕山大学信息科学与工程学院。该研究成果于2025年发表在光电子传感领域的国际期刊 《Photonic Sensors》 上（DOI: 10.1007/s13320-025-0755-3）。
科学研究领域： 本研究的核心领域属于光纤传感技术，具体为光纤温度传感器设计、制备与应用。它综合了微纳光纤制造、聚合物材料涂覆、光学干涉测量和布拉格光栅技术。
研究背景与动机： 光纤温度传感器因其尺寸小、成本低、可实时监测、响应快和抗电磁干扰等优点，在医疗、航空航天和环境监测等领域发挥着重要作用。近年来，基于马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）、多模光纤、光子晶体光纤等多种结构的干涉型光纤温度传感器被广泛报道。然而，现有的许多传感器普遍面临一个关键限制：检测范围较窄。这主要是由于干涉仪的自由光谱范围（Free Spectral Range, FSR）限制了其无歧义测量的温度区间。一旦温度变化引起的干涉谱谷移动超过一个FSR，就会发生谱线重叠，导致无法确定具体的温度值。因此，开发一种结构紧凑、易于制造、高灵敏度且具有超宽检测范围的光纤温度传感器成为迫切需求。
研究目标： 针对上述问题，本研究旨在提出并实验验证一种新型光纤温度传感器方案，以实现超宽温度范围的高灵敏度测量。具体目标包括：1）利用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane， PDMS）薄膜涂覆锥形单模光纤（SMF）构建MZI，利用PDMS的高热光系数提高灵敏度；2）将该MZI与一个光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）结合，利用FBG作为参考波长标记，解决因温度变化超过FSR而导致的谱线混淆问题，从而扩展有效测量范围；3）对所提出的传感器进行性能表征，评估其在大范围温度变化下的灵敏度、稳定性和实用性。
本研究流程清晰，主要包括传感器设计、制备、实验测试和数据分析几个核心环节。
1. 传感器设计与工作原理： 传感器的核心结构是PDMS薄膜涂覆的锥形单模光纤与光纤布拉格光栅（FBG） 的串联组合。其工作原理基于两种光学效应： - MZI干涉原理： 将一段标准单模光纤进行拉锥处理，使其纤芯模的能量部分耦合到包层中传输，形成两路光（纤芯模和包层模）。在锥区后的光纤中，这两路光重新耦合进纤芯，由于经历的光程差不同而发生干涉，形成干涉光谱。涂覆在锥区上的PDMS薄膜具有很高的热光系数（即折射率随温度变化显著），当环境温度变化时，PDMS的折射率改变，进而强烈调制包层模的有效折射率，导致干涉光谱的谷值波长发生显著漂移。漂移量（灵敏度）与PDMS的热光系数、锥区长度等因素有关。 - FBG温度传感原理： FBG是写入光纤纤芯的一段周期性折射率调制结构，其反射中心波长（布拉格波长）由光栅周期和纤芯有效折射率决定。温度变化会引起光栅周期（热膨胀）和纤芯折射率（热光效应）的变化，导致布拉格波长发生漂移。FBG对温度的灵敏度相对较低且线性度好，其反射峰在光谱中是一个稳定的标记。 - 超宽范围测量策略： 当温度变化很大时，MZI的干涉谱谷会漂移多个FSR，导致光谱重叠，无法直接判断谷值对应的绝对温度阶数。此时，利用FBG反射峰的稳定、线性漂移作为“标尺”，通过观察FBG峰的波长位置，可以确定当前温度所处的“大区间”，然后在每个FSR区间内，利用高灵敏度的MZI干涉谱谷进行精确的温度分辨。这种MZI与FBG的联合解调方法，是实现超宽范围测量的关键创新。
2. 传感器制备流程： - 锥形光纤制作： 使用基于火焰的拉锥机（型号GXT6012）。设置火焰头移动速度为20 mm/min，两夹具间距为32 mm。将单模光纤固定在夹具上，在拉锥过程中通过宽带光源（BBS）和光谱分析仪（OSA）实时监测干涉光谱的形成，确保拉锥过程可控。最终制成的锥区最窄直径约为0.5微米，锥腰宽度为8.2微米，锥区总长度约为12.514毫米。 - PDMS薄膜涂覆： 将PDMS主剂与固化剂按10:1的重量比均匀混合，并脱除气泡。将制备好的锥形SMF与一个商用FBG（中心波长1549.829 nm，栅区长度10 mm，反射率91.09%）熔接。将熔接好的传感结构固定在一个特制的C形槽石英基座中，并使用紫外固化胶固定两端。随后，将PDMS混合液滴加在锥区所在的C形槽沟道内，并将其置于60°C的精密半导体恒温器上，使PDMS快速固化。PDMS涂层的长度约为14毫米，厚度为0.4毫米，恰好完全覆盖锥区传感部分而不影响FBG。
3. 实验测试与数据采集： 实验装置如图2所示。宽带光源发出的光（1250-1650 nm）依次通过传感结构（锥形光纤MZI+FBG），最终进入高分辨率（0.02 nm）光谱分析仪。将封装好的传感器（固定于C形槽中）紧密贴放在高精度半导体恒温器（型号LTD2-250）的基座凹槽内，以确保温度控制的直接和准确。使用高精度测温枪监测PDMS传感器的实际温度。 测试方案： 将温度从-30°C逐步升至200°C，每隔10°C设定一个温度点。在每个温度稳定点，通过光谱分析仪记录完整的透射光谱（包含MZI的干涉条纹和FBG的反射凹陷）。在整个温度范围内，共采集了24个温度点的光谱数据。为评估传感器稳定性，还在-30°C和200°C两个极端温度下分别进行了长达75分钟的连续监测，每隔15分钟记录一次光谱。
4. 数据分析方法： - 光谱特征提取： 从每个温度点的透射光谱中，提取两个关键特征：1) FBG反射峰的中心波长；2) 位于FBG反射峰左侧（短波方向）的特定干涉谱谷（文中标记为Dip 1和Dip 2）的波长位置。 - FSR与FFT分析： 根据公式(4)分析涂覆PDMS前后干涉光谱的自由光谱范围变化。对透射光谱进行快速傅里叶变换（FFT），通过频域主峰分析激发的主导模式。 - 灵敏度计算与拟合： 对于FBG反射峰，其波长漂移与温度变化呈线性关系，通过线性拟合得到其温度灵敏度系数。对于MZI的干涉谱谷，由于PDMS热光系数的非线性等因素，其波长-温度响应关系在宽温区内并非单一线性。因此，研究将-30°C至200°C的整个温区划分为五个子区间（-30~0°C, 0~30°C, 30~70°C, 70~130°C, 130~200°C），在每个区间内分别进行二阶多项式拟合，以更精确地描述其响应特性。根据拟合曲线，按公式(7)计算每个温区内的平均灵敏度。 - 联合解调逻辑： 在未知温度测量时，首先读取FBG反射峰的波长，根据其线性响应关系（灵敏度约为0.0119 nm/°C）估算出温度的粗略值，确定当前温度位于哪个~40°C宽的大区间内。然后，在该大区间内，利用已标定的、高灵敏度的MZI干涉谱谷波长-温度拟合曲线，进行精确的温度反演。
1. 传感器基本光学特性： 如图4所示，锥形光纤在空气中时，其干涉光谱的FSR为56.84 nm。涂覆PDMS薄膜后，由于PDMS的折射率（约1.41）高于空气，显著增大了包层模与纤芯模的有效折射率差（Δn_eff），根据公式(4)，FSR增大至82.90 nm。FFT分析表明，涂覆PDMS前后，主峰对应的频率分别为0.0175 nm⁻¹和0.0125 nm⁻¹，证实了主要干涉发生在纤芯模与一个主导的包层模之间。
2. 超宽温度范围光谱响应： 图5展示了温度从-30°C升至200°C过程中，传感器透射光谱的演变。可以清晰观察到两个现象： - MZI谱谷的周期性蓝移： MZI的干涉条纹（谱谷）随着温度升高持续向短波长方向（蓝移）漂移。在整个230°C的温变范围内，干涉倾斜总共漂移了5个FSR。这表明如果不加区分，当温度变化超过一个FSR（~83 nm）后，光谱会发生重叠，无法直接判断是哪个干涉阶次。 - FBG反射峰的规律性红移： 与此同时，FBG的反射峰（图6）随着温度升高稳定地向长波长方向（红移）线性移动，从-30°C时的约1549.28 nm移至200°C时的约1552.16 nm。FBG的移动提供了一个绝对且单调变化的波长参考。
3. 温度灵敏度与标定结果： 图7和表1汇总了详细的标定数据。 - FBG灵敏度： FBG反射峰在-30°C至200°C范围内的波长漂移与温度呈良好线性关系，拟合方程为 y = 0.0119x + 1549.74，线性度R²=0.9975，灵敏度为 0.0119 nm/°C。此灵敏度较低，但线性度好，适合作为粗测参考。 - MZI灵敏度： MZI干涉谱谷（Dip 1与Dip 2之间的倾斜）的响应呈现出明显的分段非线性特性。五个温度区间的二阶多项式拟合方程及平均灵敏度如下： - -30~0°C: 平均灵敏度 2.786 nm/°C - 0~30°C: 平均灵敏度 2.398 nm/°C - 30~70°C: 平均灵敏度 1.983 nm/°C - 70~130°C: 平均灵敏度 1.119 nm/°C - 130~200°C: 平均灵敏度 0.599 nm/°C - 最大灵敏度： 在-20°C至-10°C的子区间内，传感器达到了最高的温度灵敏度，为 3.437 nm/°C。整个宽温区的平均灵敏度约为 1.777 nm/°C。 - 灵敏度变化趋势： MZI的灵敏度随温度升高而逐渐下降。文中解释，这是由于PDMS的热光系数（dn/dT）本身可能随温度升高而减小，导致相同温度变化引起的有效折射率变化量（Δn_eff）减小，从而降低了波长漂移的灵敏度。
4. 谱线区分与稳定性验证： - 谱线区分： 图8展示了六个关键温度点（-30， 0， 30， 70， 130， 200°C）的光谱。可以看到，在温区交界处（如0°C），确实存在一个温度对应两个可能谷值波长的情况（见图7中拟合曲线交叉点）。此时，通过观察对应温度下FBG反射峰的位置（例如，0°C时FBG峰位于~1549.8 nm附近），可以唯一确定当前干涉谱谷属于哪一个FSR周期，从而解决模糊问题。 - 稳定性测试： 如图9所示，传感器在-30°C和200°C下各保持75分钟，其干涉谱谷和FBG反射峰的波长均保持稳定，波动很小。这表明传感器在极端温度环境下具有良好的短期稳定性。同时，图9(b)显示在200°C时，由于FSR随温度略有变化（公式(4)中Δn_eff变化导致），光谱中出现的干涉谷数量比-30°C时多，但这并不影响基于特定谷值的传感稳定性。
结果逻辑链： 制备的PDMS涂覆锥形MZI传感器本身具备高温度灵敏度 → 但单独使用受限于FSR，测量范围窄 → 引入FBG作为波长标记，提供粗测温度定位 → 实验证实MZI谱谷在宽温区内漂移多个FSR，而FBG峰线性移动 → 通过FBG确定温度“大区间”，再利用该区间内已标定的高灵敏度MZI曲线进行“精测” → 最终实现了从-30°C到200°C的宽范围、高灵敏度测量。实验结果直接验证了联合解调方案的有效性，并提供了完整的传感器性能参数。
结论： 本研究成功提出并实验验证了一种基于PDMS薄膜涂覆锥形单模光纤与FBG结合的光纤温度传感器。该传感器利用PDMS的高热光系数显著提升了MZI的测温灵敏度，并创新性地利用低灵敏度但线性度好的FBG作为参考，解决了干涉型传感器因FSR限制导致的测量范围窄的难题。实验结果表明，该传感器能够在-30°C至200°C的超宽温度范围内工作，最高灵敏度达3.437 nm/°C，整个范围的平均灵敏度为1.777 nm/°C。传感器结构相对简单，易于制备，并展现了良好的稳定性。
研究价值： - 科学价值： 本研究为解决干涉型光纤传感器测量范围受限于FSR这一共性难题提供了一个简洁而有效的通用方案（MZI+FBG联合解调）。文中所阐述的工作原理和实验方法，可以推广应用于其他类型的干涉式光纤传感器（如Sagnac干涉仪、法布里-珀罗干涉仪等），以实现超越FSR的测量，具有重要的方法论意义。 - 应用价值： 所开发的传感器兼具高灵敏度、宽检测范围、结构紧凑和抗电磁干扰等优点，在需要宽温区高精度监测的领域具有明确的应用前景，例如：工业过程监控（如化工反应器、发动机测试）、环境监测（极地或高温荒漠地区）、电力设备状态监测以及生物医疗中的特殊温度传感场景。