范金雨 郭資 張澤 夏章聰 李婧臨 張露 劉磊

摘? 要：錐形光纖在熒光傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其中，由自由基光聚合法制成的錐形微納光纖（PTOF）具有制造工藝靈活、耗能低的優(yōu)點(diǎn)。為了提高熒光收集效率，進(jìn)而提高錐形微納光纖傳感器的靈敏度，文章在不同曝光時(shí)間和曝光功率下制作了不同尺寸的PTOFs作為傳感頭，對(duì)包埋在錐形尖端的熒光素進(jìn)行熒光收集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，25μW，5s下生成的PTOF有較好的熒光收集效率，約為端面切平光纖的9.6倍。

關(guān)鍵詞：PTOF;光纖傳感;溶膠凝膠法;熒光收集特性

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）05-0080-02

錐形光纖具有倏逝波強(qiáng)度強(qiáng)和熒光收集效率高等優(yōu)越特性[1，2]。常用的制作錐形光纖的方法有化學(xué)腐蝕法、熔拉法及研磨法[3]。2009年，R.Bachelot等在前人基礎(chǔ)上通過自由基光聚合法在單模光纖末端形成聚合物微尖端[4]。與其它制錐工藝相比，該方法相對(duì)簡(jiǎn)單，損耗低，對(duì)技術(shù)要求較低，更易于控制形狀參數(shù)[4]。制作PTOF過程中，光敏試劑被引發(fā)交聯(lián)聚合反應(yīng)時(shí)的曝光時(shí)間和曝光功率等對(duì)PTOF的形狀有影響。本文通過不同尺寸PTOF熒光收集效率的比較，對(duì)錐形微納光纖傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 錐形微納光纖的制作

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)在R.Bachelot[4]改進(jìn)的光致聚合法制錐工藝基礎(chǔ)上制備錐形光纖。原理可表述為，在450nm到550nm之間某一波長(zhǎng)的激光照射下，光敏試劑被引發(fā)交聯(lián)聚合反應(yīng)，進(jìn)而在石英光纖端面形成可以看作纖芯延伸的聚合物尖端。

1.2 制作步驟

首先配制光敏試劑。配方如下：3.5937g多官能丙烯酸酯單體季戊四醇三丙烯酸酯，303ul染料敏化劑曙紅-Y，0.0196g共引發(fā)劑甲基二乙醇胺?；旌仙鲜鲈噭┎⒃谑覝?、1800rpm條件下水浴攪拌6h。

在25℃的暗室中制造PTOF。端面切平光纖一端垂直浸入光敏試劑并勻速拉出，來自488nm 激光器的激發(fā)光通過衰減器衰減到微瓦水平，被40倍物鏡耦合到光纖中，由纖芯到達(dá)光纖末端覆蓋的試劑。在PTOF制造過程中，使用光功率計(jì)調(diào)整到達(dá)光纖末端光的功率（曝光功率）;使用光學(xué)快門控制試劑的曝光時(shí)間。曝光完成后，將生成的錐形尖端浸入乙醇中以洗掉未反應(yīng)的液體試劑。

2 溶膠凝膠材料及傳感頭的制作

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)中，制備了端面切平的光纖以及不同曝光時(shí)間和曝光功率下的錐形光纖。通過錐形光纖對(duì)熒光素?zé)晒獾氖占梢灾庇^反映出不同光纖的熒光收集效率高低。為了固定熒光素，實(shí)驗(yàn)中采用了通過溶膠凝膠技術(shù)制備的有機(jī)/無機(jī)雜化材料。其結(jié)合了無機(jī)和有機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，例如不易老化和光降解[5]。

2.2 制作步驟

甲基三乙氧基硅烷（MTES），原硅酸四乙酯（TEOS）用作反應(yīng)前體，乙醇用作溶劑，稀鹽酸用作催化劑。將MTES，TEOS，乙醇（分析純）和稀鹽酸（20mM）依次加入到圓底燒瓶中，體積比為3：1：0.7：4。最后加入熒光素，使它在混合溶劑中的濃度為0.25mM。使用磁力攪拌器在50℃的水浴中以1000rpm的轉(zhuǎn)速攪拌混合試劑6h，冷凝管起回流作用。分裝制備好的溶膠凝膠材料，將聚合物尖端垂直浸入中并勻速拉出，在室溫下干燥幾小時(shí)，形成嵌有熒光素的薄膜。

3 結(jié)果與討論

3.1 包埋材料中熒光素的波形

熒光素是一種常見的熒光指示劑。在488nm的激發(fā)光下，熒光素水溶液的發(fā)射光譜在515nm處達(dá)到峰值。當(dāng)溶劑被乙醇代替時(shí)，其最大的發(fā)射光譜向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)方向漂移[6]。將熒光素與包埋材料混合試劑置于比色皿，可以在約517nm處與547nm處觀測(cè)到兩處峰值。這是包埋試劑中同時(shí)含有水和乙醇的緣故。

3.2 錐形尖端曲率半徑的影響因素

錐形差異直接影響著錐形光纖的熒光收集效率。而在制作錐形光纖的過程中，可以通過控制曝光功率和曝光時(shí)間來調(diào)整生成的聚合物尖端的幾何尺寸[4]。分別控制曝光時(shí)間以及曝光功率，制作兩組錐形光纖。

當(dāng)曝光時(shí)間為5s，曝光功率由5μW增大至40μW時(shí)，測(cè)得的錐端半徑與曝光時(shí)間的關(guān)系如表1。可以觀察到，隨著曝光功率的增大，錐端曲率半徑增大;曝光功率增大到一定程度時(shí)，尖端曲率半徑無明顯增加，但此時(shí)錐的尖端中下部分變寬。

曝光功率為25μW，曝光時(shí)間由0.5s逐漸增大至15s時(shí)，可以觀察到光纖曲率半徑增大，且收斂于附著在光纖端面的光敏試劑的曲率半徑，最終尖端前部變平。

3.3 錐形尖端長(zhǎng)度的影響因素

在制備錐形光纖過程中，端面切平的光纖一端垂直浸入制備好的光敏試劑中。勻速拉出后曝光，尖端的長(zhǎng)度無明顯的變化趨勢(shì);垂直浸入而不拉出時(shí)，增大曝光時(shí)間和曝光功率，生成尖端的長(zhǎng)度顯著增大。說明此時(shí)尖端長(zhǎng)度受端面附著光敏試劑高度的限制。在制錐方式上之所以選擇前者，是因?yàn)殄F形尖端過長(zhǎng)時(shí)極易彎曲，從而影響熒光的收集。

3.4 熒光收集效率對(duì)比

圖1為其他條件一定時(shí)不同曝光時(shí)間和曝光功率下制成的錐形光纖和平切光（0μW，0s）收集到的后向散射熒光的光譜圖。理論上，倏逝波擴(kuò)散出光纖尖端邊界，與錐形光纖上涂覆的包埋熒光試劑相互作用。對(duì)比于端口切平光纖，倏逝波擴(kuò)展的廣度和強(qiáng)度得到增加，從而表現(xiàn)為熒光信號(hào)收集效率的增加[7]。

可以觀察到，錐形光纖收集到的熒光強(qiáng)度受聚合物尖端形狀參數(shù)的影響。25μW的曝光功率及5s的曝光時(shí)間下，尖端高度約為34.6μm，尖端基底徑約為11.7μm，尖端的曲率半徑約為4.1μm。由圖1可知，該尺寸的錐形光纖收集到的熒光強(qiáng)度比平切光纖高約9.60倍，非常適用于熒光信號(hào)的收集。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的端面切平的光纖傳感頭相比，PTOF可以收集更多的熒光信號(hào)并提高靈敏度。本文對(duì)端面切平的光纖以及不同尺寸的錐形光纖進(jìn)行了對(duì)比，在25μw，5s條件下生成錐形微納光纖有較好的熒光收集效率，約為端面切平光纖的9.6倍?？梢詫?shí)現(xiàn)光纖傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高投入檢測(cè)時(shí)光纖傳感器的靈敏度。

參考文獻(xiàn)：

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