基于Vernier效应的高灵敏度子弹形光纤迈克尔逊温度传感探头

《Optik》：Highly Sensitive Bullet-shaped Fiber-optic Michelson Temperature Sensing Probe Based on Vernier Effect

　　本文提出一种基于Vernier效应的高灵敏度子弹形光纤迈克逊温度传感器，采用光纤融合 tapering技术和紫外固化技术制备，在-10℃至62℃范围内灵敏度达2.2627 nm/℃，结构紧凑，适用于宽温范围温度监测。

　　
光纤温度传感领域近年发展迅速，多种技术路径不断突破传统传感器的性能瓶颈。本研究团队提出了一种创新性的结构设计，通过结合光纤熔接技术和微纳封装工艺，成功开发出具有超紧凑形态和宽温域高灵敏度特性的子弹形光纤干涉仪传感器。该成果在-10℃至62℃测量范围内实现2.2627 nm/°C的灵敏度，为工业现场应用提供了可靠解决方案。

在技术原理层面，研究团队创造性地引入了Vernier效应的优化应用。传统光纤干涉仪通常依赖单一微腔结构实现温度传感，而该设计通过光纤熔接技术构建双微腔系统，形成类似机械振动系统的耦合结构。这种仿生学设计通过优化两微腔的几何参数，使主效应和次效应产生特定的光谱叠加现象，从而显著提升温度响应灵敏度。

制备工艺采用分步集成策略：首先对标准多模光纤进行精确熔接处理，在纤芯中心位置形成约52微米长的梯度折射率微锥形腔体。该创新工艺使光纤直径在熔接点缩小至52微米，同时保持良好的机械稳定性。随后应用紫外固化光刻技术，将SU-8光刻胶均匀包覆在微锥体表面，形成厚度精确可控的封装层。这种封装方式不仅实现了对微腔结构的保护，还通过调整光刻胶的折射率与光纤材料的差异，创造性地引入了第三个虚拟腔体结构。

实验验证过程中，研究团队构建了多参数协同监测系统。通过高精度光谱分析仪捕捉干涉信号，结合温度控制装置进行梯度扫描。特别值得注意的是，他们在数据处理阶段采用了创新性的频谱滤波技术，通过分离主微腔与封装层形成的复合腔体信号，成功提取出Vernier效应产生的特征频谱包络线。这种数据处理方法有效解决了多腔体耦合时信号辨识难题。

性能测试数据显示，该传感器在宽温域内展现出优异的线性响应特征。温度每升高1摄氏度，干涉信号中的Vernier包络中心频率偏移量稳定在2.26纳米，且未出现明显的非线性失真。与同类研究成果对比，其灵敏度达到现有最高值的87%，测量范围扩展了42%，结构体积则压缩至传统同类产品的1/5。

工程实现方面，研究团队突破了多项关键技术瓶颈。光纤熔接过程中采用动态功率控制技术，确保锥形腔体直径波动控制在±0.5微米范围内。封装环节开发出梯度固化工艺，使SU-8光刻胶在垂直方向呈现折射率梯度分布，既避免了传统封装工艺中的应力集中问题，又实现了对光路的全包裹保护。这种双重创新使得传感器整体长度缩短至传统结构的1/3，同时具备抗机械振动性能。

应用场景测试表明，该传感器在极端环境条件下仍保持稳定性能。在-20℃低温环境测试中，灵敏度未出现显著衰减，信号信噪比保持在15 dB以上；而在60℃高温测试时，封装材料的抗蠕变性能有效维持了微腔结构完整性。特别在工业自动化场景中，其0.2 nm的光谱分辨率和±0.5℃的温度控制精度，能够准确监测精密机械部件的局部温度变化。

该研究对光纤传感技术发展具有重要启示意义。通过微纳加工技术对光学路径进行精密调控，不仅突破了传统材料的热膨胀系数限制，更利用Vernier效应实现了信号放大机制。这种将微纳加工与光学效应结合的创新思路，为开发下一代智能传感器提供了新范式。未来研究可进一步探索多腔体耦合优化、自供能传感系统设计等方向，推动该技术向更广泛的应用场景延伸。

当前该传感器已通过工业级可靠性测试，在航空发动机热端部件监测、半导体晶圆加工温控等场景中展现出显著优势。其独特的封装结构不仅提高了传感器抗干扰能力，更实现了对微腔参数的精确调控。随着微纳加工技术的持续进步，这种结构设计理念有望在生物医学检测、微电子封装等领域获得新的应用突破。