穿在身上的激光柔性湿度传感器
Tong J H, Shi X Y, Wang Y, et al. Flexible plasmonic random laser for wearable humidity sensing. Sci China Inf Sci, 2021, 64(12): 222401, https://doi.org/10.1007/s11432-020-3141-3
湿度在日常生活以及化工制备、环境监测、食品储存等专业领域发挥着重要作用，各行业对湿度的检测越来越重视。近年来，人们不断探索新的材料和结构用于湿度传感器来满足对小型化可穿戴设备的应用需求。
随机激光器作为一种新型的激光器，是光在无序增益介质中多重散射实现的受激辐射光放大，它利用散射结构代替传统的光学谐振腔。因此，随机激光具有结构灵活，体积小，成本低的优点，为传感技术的发展提供了更多维的思路。本文设计了一种基于随机激光的柔性湿度传感器，该传感器自下而上由柔性衬底层、湿度敏感层和增益层组成。改变样品周围的湿度，湿度敏感层折射率随之改变，从而影响增益层的随机激光发射强度。
实验结果表明，该传感器显示出良好的线性响应和再现性，检测极限可达1.41% RH。基于样品柔性易转移的特点，将其转移到不同新鲜程度的水果切片上，随机激光强度与水果切片的新鲜程度线性相关，此特性可应用于水果等含水量的检测；将样品转移到可水洗的口罩上，被测试人员戴上附有样品的口罩进行一定强度的运动，随着运动量的增加，随机激光发射强度逐渐增强，这一特性可用于评估人体的运动量及健康检测。
图1 (a) 同一泵浦能量密度，不同 RH 值条件下样品的随机激光谱(nPEDOT:PSS=1.49)。(b) 有/无PEDOT:PSS湿度层时，样品/参照样品(红色/黑色)的发射光谱峰值强度随RH值的变化。球体为实验数据，虚线为对应的线性拟合曲线。(c) PFO层与空气层界面处的电场分布。插图:对应的PE/PEDOT:PSS/PFO结构在448 nm处的电场分布。(d) PFO层与空气层界面电场强度随PEDOT:PSS湿度层折射率(nPEDOT:PSS=1.35-1.49)的变化趋势。
图2 基于随机激光的柔性湿度传感器的可穿戴性演示及传感机理示意图。
主要作者
仝俊华，博士，2021年7月毕业于北京工业大学，现就职于北京化工大学。主要研究方向是基于等离激元反馈的随机激光器
翟天瑞，博士，北京工业大学教授，博士生导师。主要从事微腔激光器的研究工作
《中国科学：信息科学》| SCIENCE CHINA Information Sciences
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2021-09-30
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