光纤传感技术研究团队在Sensors and Actuators B: Chemical期刊（中科院一区Top, IF:7.460）发表基于光纤中前向布里渊散射机制的传感应用研究成果
近日，激光与红外系统集成技术教育部重点实验室光纤传感技术研究团队在基于光纤中前向布里渊散射机制的传感应用研究方面取得新进展，相关研究成果以“Simultaneous measurement of relative humidity and temperature based on forward Brillouin scattering in polyimide-overlaid fiber”为题发表在国际传感领域著名期刊Sensors and Actuators B: Chemical（IF:7.460）上。山东大学为该论文的第一完成单位，激光与红外系统集成技术教育部重点实验室徐演平教授为该论文的第一作者，信息科学与工程学院刘兆军教授为该论文的通讯作者。
在相对湿度传感领域中，由于相对湿度与环境温度有很强的关联性，同时测量和区分相对湿度和温度这两个参量至关重要，尤其在工业、食品质量、健康管理、人体舒适性等许多应用领域中，环境温度对相对湿度的准确测量有着重要影响。在实际应用中，基于不同技术原理的相对湿度传感系统中，由其他因素引起的串扰效应（大多数情况下为环境温度）会不可避免地影响和降低相对湿度的测量精度。因此,在保证传感系统具有较高的相对湿度灵敏度的同时，开发出既能检测相对湿度又能准确感知周围环境温度的多参量湿度传感系统显得尤为迫切。基于光纤传感技术的解决方案因光纤的独特优势而受到广泛的关注和研究，如尺寸小、响应快、灵敏度高、耐腐蚀、重量轻、抗电磁干扰和远程操作能力等。当前，大多数最先进的光纤相对湿度传感器很少基于全硅光纤开发，这是因为其中的主要组成材料二氧化硅不是一种显著吸湿的物质。为了提高对周围湿度变化的敏感性，需要在光纤传感器的关键传感元件上添加额外的吸湿材料。典型吸湿材料包括但不限于聚醋酸乙烯酯、聚酰亚胺、聚丙烯酰胺、乙酸丁酸纤维素、壳聚糖、纳菲薄膜和琼脂糖等。同时，基于不同光纤传感机制的光纤湿度传感器也被提了出来，包括光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、表面等离子体共振和基于干涉仪的湿度传感器，但这些器件要么具有较低的湿度灵敏度，要么无法实现湿度与温度的区分检测，还有的成本较高，制备过程复杂，并且物理强度弱，在较恶劣环境下的耐久度低等缺点。
在这项工作中，我们提出并论证了一种利用聚酰亚胺覆层单模光纤中前向布里渊散射（Forward Brillouin Scattering, FBS）机制来同时测量相对湿度和温度的全新传感方案。除了一段商用聚酰亚胺覆层单模光纤外，不再需要复杂的吸湿材料涂层工艺或光纤微器件的精细制造。与先前报道的许多易碎微结构光纤相对湿度传感器不同，该传感器具有优异的机械强度，因为没有对聚酰亚胺涂层光纤进行微加工。此外，聚酰亚胺涂层光纤具有耐高温的特性，可被广泛用于恶劣环境传感。该方案提出的同时测量技术是基于聚酰亚胺覆层光纤中FBS机制引起的共振光谱峰的频移和线宽变化对相对湿度和温度的不同响应来实现的。光纤中光声相互作用驱动的FBS会产生横向或周向传播的横向声波，该声波在二氧化硅-聚酰亚胺边界处发生反弹。因此，反映边界条件的反射声波特性可用于量化环境参数变化。所提出的传感方案的相对湿度测量的基本原理是，聚酰亚胺纤维的吸湿涂层在相对湿度变化的情况下经历一个可逆的吸水或解吸过程，从而导致聚酰亚胺层的声学性能变化。通过光纤硅芯和包层区域中的FBS激发的径向或扭转声波将在硅石-聚酰亚胺边界处反弹，其声波特性同时发生改变。因此，在光纤的FBS光谱中可以观察到诸如线宽变化和共振峰的中心频率偏移等光谱变化。温度变化也会导致FBS光谱在频率位移和共振峰线宽方面发生光谱变化，但灵敏度与相对湿度的测量结果不同。实验结果表明，该传感器能够实现高灵敏度相对湿度测量，相对湿度相关的中心频移和线宽变化系数分别为6.32kHz/%RH和2.56kHz/%RH。在同步传感试验中，相对湿度和温度分别以1.651%RH和0.279oC的小标准偏差成功区分。因此，所提出的传感方案被证明是一种优异的相对湿度和温度传感技术，能够通过同时测量方法有效消除两个参数之间的不利串扰效应。该传感器被认为是一种可靠、耐用、简单、实用的同时测量相对湿度和温度的装置，具有潜在的实用商用价值。
上述研究得到山东省自然科学基金、山东省重点研发计划（重大科技创新工程）以及山东大学齐鲁青年学者计划等项目资助。
