CN101140174A - 一种基于包层导光的光子晶体光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于包层导光的光子晶体光纤传感装置，将光纤连接于光探测器光纤耦合组件之间；敏感组件设置在光纤耦合组件和光探测器之间且夹持光纤；光源与光纤相对设置于光纤耦合组件另一侧；光纤为带隙型光子晶体光纤，包括纤芯、包层和若干空心孔，纤芯折射率与包层折射率相异，并设置于包层中间，空心孔周期性均匀分布于包层之中，并环绕纤芯设置，光源的波长范围在带隙型光子晶体纤芯传输通带范围之外。本发明使光波不受带隙约束大量进入到包层空心孔之间的介质中传输。当敏感组件受到外界作用时，可挤压带隙型光子晶体光纤，使其发生形变，使通过光纤的光波变化，并通过探测器接收变化，实现对外界物理量的测量。本发明灵敏度高。

Description

一种基于包层导光的光子晶体光纤传感装置

技术领域

本发明涉及一种传感装置，特别是关于一种光纤的传感装置。

背景技术

随着科学技术的进步越来越多的领域需要高灵敏度的传感和探测装置，光纤传感以其抗电磁干扰，系统稳定等特性引起人们极大的关注。光纤传感就是将被测量的变化转化为光纤中传输光参数的变化，通过测量光纤的输出光来确定被测量的大小。它具有许多独特的优点：(1)不受电磁干扰，当光信号在光纤中传输时，它不会与电磁场产生作用，因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力强；(2)绝缘性能高，现在普遍使用的光纤是由石英玻璃制成的，是一种不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料也不导电，很方便测量带高压电设备的各种参数；(3)防爆性能好，耐腐蚀，由于光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，因此，光纤传感装置的安全性能好，适用于易燃易爆和带腐蚀性的环境；(4)导光性能好，对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计；(5)可绕，光纤细而柔软，可制成非常小巧的光纤传感器，用于测量特殊对象及场合的参数；(6)便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络；(8)光纤材料简单，便于获得，所以光纤传感装置的低成本特性使其在军事、国防、航天航空等领域有着广阔的市场。

光子晶体光纤是一种新型的微结构光纤，与传统光纤相比，它的包层由SiO₂和周期性排列于其中的沿轴向均匀的空气孔构成。对于带隙型光子晶体光纤，其包层所具有的光子禁带效应可以将光波限制在空心空气孔的纤芯中传播。自诞生以来光子晶体光纤以其结构的可控性、空气孔的可填充性、大的传输功率、易于耦合等等独特性质在传感领域得到广泛关注并迅速发展。

然而现有技术的光子晶体光纤传感装置均为利用光波在纤芯内的传输而制作，主要包括光纤压力传感装置与气体传感装置。如2000年由陈红丽等发表在光子学报第29卷第6期上的《甲烷气体光纤传感器的实验研究》，利用气体吸收特定波长光束的性质，从而影响光束传播，故可根据光纤内光束传输特性的改变来实现对气体的传感测量。再如2006年由刘跃辉等发表在光电子技术第25卷第2期上的《光纤压力传感器》，其通过外力使得光纤发生形变，从而影响光纤内光束传输特性到达传感的目的。但由于光纤包层对纤芯有较大的缓冲和保护作用，降低外界作用力对纤芯光波传输的影响，从而使得光波对外界敏感性欠佳，因此灵敏度较低。

发明内容

为解决现有技术光子晶体光纤传感器灵敏度低的问题，本发明提供了一种基于光纤包层导光的高灵敏度光子晶体光纤传感装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于包层导光的光子晶体光纤传感装置，包括一光源、一光纤、一敏感组件、一光纤耦合组件和一光探测装置，所述光纤一端连接于光探测器，另一端临近所述光纤耦合组件设置；所述敏感组件设置在光纤耦合组件和一光探测器之间，且夹持所述光纤；所述光源与光纤相对应，设置于光纤耦合组件的另一侧，其中，所述光纤为带隙型光子晶体光纤且其包括纤芯、包层和若干空心孔，且所述纤芯折射率与包层折射率相异，并设置于包层中间，空心孔周期性均匀分布于包层之中，并环绕纤芯设置，且所述光源的波长范围在所述带隙型光子晶体纤芯传输通带范围之外。

所述带隙型光子晶体光纤包层空心孔为空气孔，或填充有液体、气体等折射率与所述带隙型光子晶体光纤包层折射率相异的物质。

所述敏感组件包括两个相对设置的夹板，所述两个夹板相向的一面均均匀粘合有直径一致的玻璃棒，每个夹板上的玻璃棒相互平行排列，且玻璃棒轴向与所述带隙型光子晶体光纤轴向方向相异，而两个夹板上的玻璃棒相互错位排列，另外每个夹板31上各自玻璃棒32直径相同，各玻璃棒32所成的包络面为一平面。

本发明的有益效果是：由于本发明采用的带隙型光子晶体光纤内设置有为空心芯的纤芯和具有空心孔的包层，而且来自光源的光波的波长处于包层光子带隙之外，因此光波不受带隙的约束而大量进入到周期排列的包层空心孔之间的介质(如玻璃、有机聚合物等)中传输。当敏感组件受到外界作用时，可挤压带隙型光子晶体光纤，使其发生形变，从而增强包层中传输光波向包层外的耦合，耦合至包层外的光波不再受到约束而逐渐泄漏至光纤之外，使通过这种光纤传输至探测器的光波强度衰减。这种光强度的衰减与受到的外界作用对应，因此可通过探测器所接收光波强度的变化，实现对施加于带隙型光子晶体光纤并使其发生形变的外界物理量的测量。另外由于带隙型光子晶体光纤包层，较纤芯更直接的接受外部敏感组件所引起的变化，因此受力挤压形变大，对外力敏感性强，故本发明基于包层导光的光子晶体光纤传感装置灵敏度高。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明基于包层导光的光子晶体光纤传感装置第一实施方式的结构示意图；

图2是图1中带隙型光子晶体光纤的截面图；

图3是图1中光纤耦合组件的结构示意图。

图中，1-光源、2-带隙型光子晶体光纤、3-敏感组件、4-光纤耦合组件、5-光探测器、21-纤芯、22-包层、23-空气孔、31-夹板、32-玻璃棒、41-会聚透镜、42-单模光纤、43-光纤准直器。

具体实施方式

装置实施例1：请参阅图1，其是本发明第一实施方式的结构示意图。本发明包括一光源1、一带隙型光子晶体光纤2、一敏感组件3、一光纤耦合组件4和一光探测器5。所述带隙型光子晶体光纤2由二氧化硅制成，其一端连接于光探测器5，另一端临近所述光纤耦合组件4设置。所述敏感组件3设置在光纤耦合组件4和一光探测器5之间，且夹持带隙型光子晶体光纤2。所述光源1与带隙型光子晶体光纤2相对应，设置于光纤耦合组件4的另一侧。其中，所述光源1为冷光源白光灯，其产生的光波波长范围在所述带隙型光子晶体光纤2纤芯传输通带范围之外。请同时参阅图2，其是图1中带隙型光子晶体光纤2的截面图。所述带隙型光子晶体光纤2包括纤芯21、包层22和空气孔23，且所述纤芯21为一空气芯，并设置于包层22中间，空气孔23为空心孔，且周期性分布于包层22之上，并环绕纤芯21设置。所述敏感组件3包括两个相对设置的夹板31，所述夹板31为刚性夹板，且两个夹板31相向的一面均均匀粘合有平行排列的玻璃棒32。所述玻璃棒32的排列方向与所述带隙型光子晶体光纤2轴向方向垂直，且两个夹板31的玻璃棒32之间交错排列，另外每个夹板31上各自玻璃棒32直径相同，各玻璃棒32所成的包络面为一平面，所述玻璃棒32可增强外力对带隙型光子晶体光纤2挤压形变的调制作用。

请同时参阅图3，其是图1中光纤耦合组件4的结构示意图。所述光纤耦合组件4包括一会聚透镜41、一单模光纤42和一光纤准直器43。其中，所述单模光纤42一端与所述光纤准直器43耦合连接，另一端设置于所述会聚透镜41的焦点处，另外，所述会聚透镜41为短焦距会聚透镜。

本实施方式中，所述光源1发出的球面光波由会聚透镜41会聚，并在其焦点处耦合进入普通光纤，然后光波经普通光纤传输至光纤准直器转化为准直光束。由于所述光源1发出的光束在带隙型光子晶体光纤2的纤芯传输通带范围之外，因此无法在带隙型光子晶体光纤2的纤芯21内传播。所述准直光束将耦合进入带隙型光子晶体光纤2包层22，并以全反射的方式在包层内的二氧化硅中传输，最后由探测器5接收。

当敏感组件3的两个刚性夹板31受外力作用时，通过各自玻璃棒32将所受外力作用于光子晶体光纤2上，从而使光子晶体光纤2受到挤压发生形变，使光纤发生类正弦周期性弯曲，影响光束传播模式之间的耦合，并使得探测器5接收的光强发生变化。

本实施方式中，根据探测器5所接收的光强的变化，可知道光纤受压变形的程度，并通过外力作用与光纤受压形变的关系，最终可得到施加于敏感组件3的夹板31上的外力大小。由于本实施方式可通过探测器对光强的探测来实现对外力大小的测量，因此可用于传感压力、压强等力学量。

本发明中光束由于通过带隙型光子晶体光纤2的包层22传输，外力作用于带隙型光子晶体光纤2时，包层由于设置在最外层，其受压形变程度大，对光束传播影响大，故对外界压力有较大敏感性。因此根据探测器5接收的光强变化，可探测带隙型光子晶体光纤2的微小形变，从而得到相应外界作用力的大小，灵敏度高。另外，由于带隙型光子晶体光纤2的形变是在纯应力作用下发生的，受外界电磁干扰和温度影响小，稳定性好。因此本发明基于包层导光的光子晶体光纤传感装置灵敏度高，稳定性好，结构简单，实用性强。

装置实施例2：本发明第二实施方式的结构与第一实施方式的结构相似，也包括一光源1、一带隙型光子晶体光纤2、一敏感组件3、一光纤耦合组件4和一光探测器5，所不同之处在于所述敏感组件3的两夹板31为磁致伸缩材料。所述磁致伸缩材料面向带隙型光子晶体光纤2的一面也粘合有平行排列的玻璃棒32。

本实施方式中，通过对磁致伸缩材料施加外加磁场，使得所述磁致伸缩材料6发生相应形变，并通过玻璃棒32产生对带隙型光子晶体光纤2的挤压，使得带隙型光子晶体光纤2发生形变，影响光束传播模式之间的耦合，并使得探测器5所接收的光强发生变化。

本实施方式中，根据探测器5所接收的光强的变化，可知道光纤受压变形的程度，并通过玻璃棒挤压与光纤受压形变的关系，可得到磁致伸缩材料形变的大小，并最终得到所施加的外加磁场的大小。由于本实施方式可通过探测器对光强的探测来实现对磁场强度大小的测量，因此可用于磁场探测。

装置实施例3：本发明第三实施方式的结构与第一实施方式的结构相似，也包括一光源1、一带隙型光子晶体光纤2、一敏感组件3、一光纤耦合组件4和一光探测器5，所不同之处在于所述敏感组件3的两夹板31为电致伸缩材料。所述电致伸缩材料面向带隙型光子晶体光纤2的一面也粘合有平行排列的玻璃棒32。

本实施方式中，通过对电致伸缩材料7施加外加电场，使得所述电致伸缩材料7发生相应形变，并通过玻璃棒32产生对带隙型光子晶体光纤2的挤压，从而使得带隙型光子晶体光纤2发生形变，影响包层空气孔中的光束传播模式之间的耦合，且使得探测器5所接收的光强发生变化。

本实施方式中，根据探测器5所接收的光强的变化，可知道光纤受压变形的程度，并通过玻璃棒挤压与光纤受压形变的关系，可得到电致伸缩材料7形变的大小，并最终得到所施加的外加电场强度。由于本实施方式可通过探测器对光强的探测来实现对电场强度大小的测量，因此可用于电场探测。

本发明基于包层导光的光子晶体光纤传感装置第一实施方式中的刚性夹板、第二实施方式中的磁致伸缩材料和第三实施方式中的电致伸缩材料，可分别在外界的机械力、磁场和电场的作用下发生相应的形变，从而通过各自玻璃棒挤压带隙型光子晶体光纤2，使其发生形变，影响其光波传播模式之间的耦合，并使得探测器接收到的光波光强发生变化。因此本发明根据敏感组件的所探测的物理量的不同，可分别作为压力传感器、磁场强度探测器和电场强度探测器。

另外，本发明还可作如下改进：

本发明基于包层导光的光子晶体光纤传感装置中，由于带隙型光子晶体光纤2的纤芯21为空气芯，且包层22内均匀分布有空气孔23，从而使得光波约束在包层内传输。现可通过在空气孔23内填充一定折射率的气体或液体以改变包层导光特性，其中所述填充的气体和液体折射率与包层折射率相异。故由于在空气孔内填充不同的折射率的物质，使得带隙型光子晶体光纤的有效折射率发生变化，且通过改变所述带隙型光子晶体光纤2的包层22和空气孔23之间的折射率差，可提高带隙型光子晶体光纤2在传输过程中，受到挤压发生形变时对弯曲损耗的敏感度，从而进一步改善基于包层导光的光子晶体光纤传感装置的敏感性。另外，所述敏感组件的玻璃棒32排列方向与带隙型光子晶体光纤2轴向方向不限于垂直，二者可相错存在交角，所述玻璃棒32也可由均匀排列的凸点阵列或机械棱角代替，以增强对带隙型光子晶体光纤2的挤压调制作用。再者，本发明基于包层导光的光子晶体光纤传感装置中的光纤耦合组件4可去掉光纤准直器43，即将光源1发出的光束不需准直而直接由透镜41将光束耦合进带隙型光子晶体光纤2。

综上所述，本发明基于包层导光的光子晶体光纤传感装置中带隙型光子晶体光纤2内设置有为空气芯的纤芯21和空气孔23，当光源1所发出的光束波长范围在所述带隙型光子晶体纤芯传输通带范围之外时，光波将约束在包层22内传输。当敏感组件受到外界作用时，挤压带隙型光子晶体光纤2，使其发生形变，影响包层内光波传输模式之间的耦合，从而改变探测器所接收的光波强度。由于包层22较光纤纤芯21更容易接受外部敏感组件3的作用，因此受力挤压形变大，对外力敏感性强，故本发明基于包层导光的光子晶体光纤传感装置灵敏度高。另外，本发明基于包层导光的光子晶体光纤传感装置通过选择不同的敏感组件，可探测不同的物理量，所探测的物理量可通过挤压使得带隙型光子晶体光纤2发生形变，从而可转化为相应的光强信息以方便探测，因此结构简单、实用性强。

Claims (3)

1.一种基于包层导光的光子晶体光纤传感装置，包括一光源、一光纤、一敏感组件、一光纤耦合组件和一光探测装置，其特征在于：所述光纤一端连接于光探测器，另一端临近所述光纤耦合组件设置；所述敏感组件设置在光纤耦合组件和一光探测器之间，且夹持所述光纤；所述光源与光纤相对应，设置于光纤耦合组件的另一侧；所述光纤为带隙型光子晶体光纤且其包括纤芯、包层和若干空心孔，且所述纤芯折射率与包层折射率相异，并设置于包层中间，空心孔周期性均匀分布于包层之中，并环绕纤芯设置，且所述光源的波长范围在所述带隙型光子晶体纤芯传输通带范围之外。

2.根据权利要求1所述的一种基于包层导光的光子晶体光纤传感装置，其特征在于：所述带隙型光子晶体光纤包层空心孔为空气孔，或填充有液体、气体等折射率与所述带隙型光子晶体光纤包层折射率相异的物质。

3.根据权利要求1所述的一种基于包层导光的光子晶体光纤传感装置，其特征在于：所述敏感组件包括两个相对设置的夹板，所述两个夹板相向的一面均均匀粘合有直径一致的玻璃棒，每个夹板上的玻璃棒相互平行排列，且玻璃棒轴向与所述带隙型光子晶体光纤轴向方向相异，而两个夹板上的玻璃棒相互错位排列，另外每个夹板上各自玻璃棒直径相同，各玻璃棒所成的包络面为一平面。

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