CN103616046A - 磁流体填充晶体光纤环镜下温度和磁场同时检测的方法 - Google Patents

Abstract

磁流体填充晶体光纤环镜下温度和磁场同时检测的方法，涉及一种微型光电子检测的方法，在结构对称的光子晶体光纤的空气孔中选择性填充磁流体，选取水平方向中心行；光子晶体光纤的双折射特性随之改变，构成温度/磁场可调双折射光子晶体光纤；用该光纤取代Sagnac环镜中的常规双折射光纤，相邻两谐振谷之间间距和谐振谷漂移量均随温度和磁场变化而变化，且变化灵敏度各不相同，据此根据双参数矩阵法实现温度和磁场同时检测；该方法提高传感器的稳定性能和测量灵敏度，解决了光纤传感器的温度和磁场交叉敏感问题，实现和利用了一个光纤同时进行温度和磁场的测量。

Description

磁流体填充晶体光纤环镜下温度和磁场同时检测的方法

技术领域

    本发明涉及一种微型光电子检测方法，特别是涉及一种磁流体填充晶体光纤环镜下温度和磁场同时检测的方法。

背景技术

光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、防燃、防爆、安全性能高、耐腐蚀、材料资源丰富、成本低、体积小、灵巧轻便、使用方便的优点。光纤传感器可实现的传感物理量很广，广泛应用于磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、应变、光、电压、电流、传像及某些化学量的测量等，应用前景十分广阔。然而，采用普通光纤作为敏感元件的光纤传感器存在一些难以克服的缺点，如:耦合损耗较大、保偏特性差和存在交叉敏感问题等，限制了光纤传感器性能的进一步提高。20世纪90年代中期， 英国Bath大学的Knight等人首次研制出一种光子晶体光纤(Photonic crystal fiber， PCF)（文献1. J. C. Knight，T. A. Birks，D. M. Atkin and P. St. J. Rusell, "Pure silica single-mode fiber with hexagonal photonic crystal cladding." OFC'96 Optical Fiber Communication, Technical Digest Series 1996, 2:CH35901.），这种光纤是基于光子晶体技术的特殊结构的光纤。通常由单一的石英材料构成，在沿光纤长度的方向上均匀排列着光波长量级的空气孔从而构成微结构包层。从光纤端面看，存在二维周期性结构。这种光纤具有许多优点，如具有宽带单模、高非线性、大模场面积、可控色散性等（文献2. M. D. Nielsen, J. R. Folkenberg, N. A. Mortensen, A. Bjarklev, "Bandwidth comparison of photonic crystal fibers and conventional single-mode fibers." Opt. Exp., 2004, 12(3):430-435.）,采用光子晶体光纤构成的光纤传感器有望解决这些问题

    温度传感器和磁场传感器是生产生活中应用最广泛的光纤传感器，而在应用的过程中遇到的一个很大的挑战就是温度和磁场的交叉敏感问题（文献3. 肖熙，周晓军. "光纤光栅传感器温度和应变交叉敏感的研究现状."  红外.2008，29(3):7-10.）。怎样排除传感数据中温度和磁场的交叉敏感，获得所需的待测参量成为了光纤传感研究中的一项重要课题。双参量同时测量是解决交叉敏感问题的有效方式。科研工作者推出了一系列解决方案，如将两个传感元件串联起来（文献4. P. S. Reddy. "A simple FBG sensor for strain-temperature discrimination." Microwave and optical technology letters，2011, 53(5):1021-1024.），而这两个传感元件的对不同测量参数的敏感性存在差异。只要事先知道了这两个传感元件的传感特性，在实际应用中通过测量数据求解联立方程就能够分别得出两个待测量。而这种方法由于包括两个传感元件的级联，传感探头的尺寸较大，不能满足某些特殊场合需要单点测量的要求。葡萄牙学者Hugo F. Lima利用化啁啾光栅作为传感元件，采用双参量矩阵法实现了双参数的测量（文献5. F. L. Hugo. "Simultaneous measurement of strain and temperature with a single fiber bragg grating written in a tapered optical fiber." IEEE sensors journal. 2010, 10(2): 269-273.）。而这种方法用到特殊的光纤光栅，特殊光纤光栅的制作难度很大，而且光波解调很困难。

    光子晶体光纤中空气孔的存在，为参数同时测量提供了新的方法。通过在空气孔中填充敏感的材料，外参数的变化会引起光子晶体光纤传输特性变化，进而可实现外参数的测量。磁流体是近年来出现的一种新型功能材料，既具有磁性材料的磁性又具有液体的流动性（文献6. Y. Zhao, Y.Y. Zhang, R.Q. Lv, Q. Wang, “Novel optical devices based on the tunable refractive index of magnetic fluid and their characteristics.”Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2011, 323(23):2987-2996），其折射率对温度、磁场的变化比较敏感。本发明提出将磁流体选择性填充到光子晶体光纤的空气孔中（选取水平方向中心行），使得光子晶体光纤具有明显的双折射特性。由于磁流体折射率具有磁场和温度依赖性，导致随着外磁场或温度变化，光子晶体光纤的双折射特性发生变化，结合光纤环镜结构，相邻两谐振谷之间间距和谐振谷漂移量均随温度和磁场变化而变化，且变化灵敏度各不相同，据此可根据双参数矩阵法实现温度和磁场同时检测，同时解决了温度和磁场之间的交叉敏感问题。此外，通过选择不同物理性质的磁流体，可以改变温度和磁场的测量范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁流体填充晶体光纤环镜下温度和磁场同时检测的方法，该方法提高传感器的稳定性能和测量灵敏度，解决了光纤传感器的温度和磁场交叉敏感问题，实现和利用了一个光纤同时进行温度和磁场的测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

磁流体填充晶体光纤环镜下温度和磁场同时检测的方法，所述方法包括在结构对称的光子晶体光纤的空气孔中选择性填充磁流体，选取水平方向中心行，构成温度/磁场可调双折射光子晶体光纤；用该光纤作用Sagnac环镜中的常规双折射光纤，相邻两谐振谷之间间距和谐振谷漂移量均随温度和磁场变化而变化，且变化灵敏度各不相同，据此根据双参数矩阵法实现温度和磁场同时检测；

具体参数如下：选取七层六角空气孔结构的光子晶体光纤，空气孔直径d=6.14μm，孔间距Λ=7.14μm，光纤内包层直径d _cl=8.1μm，光纤外包层直径D=125μm，硅的有效折射率n _si=1.4466，热光系数为7.0×10^-6/oC，热膨胀系数5.0×10^-5/℃，空气孔的折射率为1.0；

温度为20℃，无磁场作用条件下，光子晶体光纤的水平方向中心行空气孔内填充折射率为1.4318、浓度为1.21%的水基Fe₃O₄磁流体，其热光系数为-2.4×10^-4/oC，磁光系数为4.98×10^-5/Oe，填充长度L=10cm，用该光纤取代Sagnac环镜中的常规双折射光纤。

所述的磁流体填充晶体光纤环镜下温度和磁场同时检测的方法，所述对光子晶体光纤施加外磁场作用时，由20Oe增加到300Oe。

本发明的优点与效果是：

1.利用光子晶体光纤构成的传感器，与传统光纤传感器相比，具有良好的稳定性,大范围的宽带调谐特性等优异的特性，克服了传统光纤传感器耦合损耗较大、保偏特性差等缺点，提高了传感器的稳定性能和测量灵敏度；

    2.本发明提出的这种基于磁流体填充光子晶体光纤环镜温度和磁场同时检测方法，解决了磁场和温度之间的交叉敏感问题，为双参数测量提供了新方法；

    3.本发明提出的这种基于磁流体填充光子晶体光纤环镜温度和磁场同时检测方法，实现了单根光纤双参数测量，大大地减小了传感探头的尺寸，还能满足某些场合需要单点测量的要求。

附图说明

图1为选择性填充光子晶体光纤结构示意图；

图2为光纤环镜结构图；

图3为选择性填充光子晶体光纤环镜相邻谐振谷间距变化量                                               

与温度T的关系；

图4为选择性填充光子晶体光纤环镜谐振谷漂移量

与温度T的关系；

图5为选择性填充光子晶体光纤环镜谐振谷漂移量

与磁场H的关系；

图6为选择性填充光子晶体光纤环镜相邻谐振谷间距变化量

与磁场H的关系。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。

该方法是在结构对称的普通光子晶体光纤的空气孔中选择性填充磁流体（选取水平方向中心行），由于磁流体折射率具有磁场和温度依赖性，导致当作用到光子晶体光纤的外磁场或温度变化时，光子晶体光纤的双折射特性随之改变，构成温度/磁场可调双折射光子晶体光纤。用该光纤取代Sagnac环镜中的常规双折射光纤，相邻两谐振谷之间间距和谐振谷漂移量均随温度和磁场变化而变化，且变化灵敏度各不相同，据此可根据双参数矩阵法实现温度和磁场同时检测。结构对称光子晶体光纤空气孔直径d=6.14μm，孔间距Λ=7.14μm，光纤内包层直径d _cl=8.1μm，光纤外包层直径D=125μm，七层圆空气柱在石英（折射率n _si=1.4466，热光系数α _si=7.0×10^-6/℃）衬底上按三角形排列出周期性结构，采用毛细管堆积拉丝方法制备而成。具体制造过程是将毛细管、实心掺锗石英棒和石英套管按照预期设计的周期性结构堆积并熔合成形，然后经过多次拉丝制备光子晶体光纤。在光子晶体光纤空气孔中填充的磁流体，选择浓度为1.21%的水基Fe₃O₄磁流体，其热光系数为-2.4×10^-4/oC，磁光系数为4.98×10^-5/Oe。选择性填充，采用直接手动粘接技术。制作过程如下：首先，将单模光纤（SMF）进行研磨，形成平坦的端面，蘸上UV胶。然后借助于三轴平移台和显微镜，将蘸UV胶的光纤端放在不需要填充的空气孔的位置，通过毛细作用，UV胶填充到相应的空气孔中。将填充好UV胶的光子晶体光纤用UV光照射几分钟，UV胶固化，将直到不需要填充的空气孔堵塞。然后采用全填充的方法完成光子晶体光纤的选择性填充。最后切割掉填充UV胶的部分，得到所需要的选择性填充的光子晶体光纤。由于磁流体具有磁性，可通过在填充磁流体的光子晶体光纤两端绕上两个螺线管，使磁流体来回移动，这样不仅能够保证磁流体填充的均匀性，更可调整控制磁流体的填充位置。光纤环镜是指在闭合光纤环中熔接10cm长选择性填充磁流体的光子晶体光纤，当光经过该光纤时，一束光分为偏振方向不同的两束光，这两束光产生光程差，回到耦合器时发生干涉，便形成了基于Sagnac效应的光纤环镜（Fiber Loop Mirror）。外界环境温度变化，是指无磁场作用下，工作温度从20℃变化到80℃时，光子晶体光纤的双折射B由0.000957减小到0.000469，相邻两谐振谷之间间距

随温度变化灵敏度

为0.86757nm/℃，谐振谷漂移量

随温度变化灵敏度

为-12.92nm/℃。外界磁场发生变化，是指室温条件下（T=20℃），磁场由20Oe增加到300Oe时，光子晶体光纤的双折射B由0.00036增加到0.000621，相邻两谐振谷之间间距

随磁场变化灵敏度

为-0.19959nm/Oe，谐振谷漂移量

随磁场变化灵敏度

为2.1892nm/Oe。

图1所示为选择性填充磁流体光子晶体光纤结构示意图。

在图1所示的结构中，空气孔直径d=6.14μm，孔间距Λ=7.14μm，光纤内包层直径d _cl=8.1μm，光纤外包层直径D=125μm，石英的有效折射率n _si=1.4466，热光系数为7.0×10^-6/oC，热膨胀系数5.0×10^-5/℃，空气孔的折射率为1.0，磁流体选择浓度为1.21%的水基Fe₃O₄磁流体，温度T=20℃，无磁场作用下，其折射率为1.4318，其热光系数为-2.4×10^-4/oC，磁光系数为4.98×10^-5/Oe。填充长度L约10cm。

将选择性填充磁流体光子晶体光纤两端与普通光纤进行熔接，构成光纤环镜，如图2所示。ASE光源发出的1550nm的光经过全光纤定向2×2熔融型3dB耦合器，光被分成两路，同时进入光纤环镜。当光经过选择性填充磁流体光子晶体光纤时，一束光分为偏振方向不同的两束光，这两束光产生光程差，回到耦合器时发生干涉，便形成了基于Sagnac效应的光纤环镜。相位差由下式给出：

θ = 2π BL /λ                          (1)

其中B为光子晶体光纤的双折射，L为光子晶体光纤的长度，λ为入射光波长。

忽略耦合器的插入损耗、光子晶体光纤和单模光纤的衰减，该光纤环镜在外界温度作用下，因为温度变换范围不大情况下，石英和磁流体的热膨胀系数非常小，可忽略他们对L的影响，则光纤环境的透射谱可近似表示为：

                         (2)

将上式在起始温度T ₀处进行泰勒展开得：

              (3)

这里，

是双折射温度变化灵敏度，它会影响Sagnac环镜的透射特性。

相邻谐振谷之间的波长间距用下式表示：

                    (4)

可见，

反比于光子晶体光纤的双折射和长度。对于长度为10cm的选择性填充磁流体的光子晶体光纤，温度在20℃~80℃之间变化时，由comsol软件计算得其双折射由0.000957线性减小到0.000469。结合式（4）得相邻谐振谷之间的间距

与温度之间的关系如图3所示，

随温度变化灵敏度

为0.86757nm/℃。

当满足条件（

为任意整数）时，所得的波长为谐振谷波长

：

                (5)

结合式（5）得谐振谷漂移量

与温度之间的关系如图4所示， 

随温度变化灵敏度为-12.92nm/℃。

同理，该光纤环镜在外界磁场作用下，光纤环境的透射谱可近似表示为：

                 (6)

将上式在起始温度H ₀处进行泰勒展开得：

              (7)

这里，

是双折射磁场变化灵敏度，它会影响Sagnac环镜的透射特性。

谐振谷之间的波长间距

用下式表示：

                  (8)

可见，反比于双折射光子晶体光纤的双折射和长度。对于长度为10cm的选择性填充磁流体的光子晶体光纤，温度T=20℃条件下，磁场在20Oe~300Oe之间变化时，由comsol软件计算得其双折射由0.00036线性增加到0.000621。结合式（8）得相邻谐振谷之间的间距与磁场之间的关系如图5所示，

随磁场变化灵敏度

为-0.19959nm/Oe。

上述方案中，外界磁场发生变化，是指室温条件下（T=20℃），磁场由20Oe增加到300Oe时，光子晶体光纤的双折射B由0.00036增加到0.000621，相邻两谐振谷之间间距

随磁场变化灵敏度，谐振谷漂移量

当满足条件

（

为任意整数）时，所得的波长为谐振谷波长

：

                    (9)

结合式（9）得谐振谷漂移量

与磁场之间的关系如图6所示，

随磁场变化灵敏度

为2.1892nm/Oe。

根据双参数检测理论得式（10）： 

            (10)

通过监测

和

，可以实现同时测量温度T和磁场H。针对分辨率为0.02nm的光谱仪，温度和磁场检测的分辨力分别为0.07℃，0.41Oe。

Claims (2)

1.磁流体填充晶体光纤环镜下温度和磁场同时检测的方法，其特征在于，所述方法包括在结构对称的光子晶体光纤的空气孔中选择性填充磁流体，选取水平方向中心行，构成温度/磁场可调双折射光子晶体光纤；用该光纤作用Sagnac环镜中的常规双折射光纤，相邻两谐振谷之间间距和谐振谷漂移量均随温度和磁场变化而变化，且变化灵敏度各不相同，据此根据双参数矩阵法实现温度和磁场同时检测；

具体参数如下：选取七层六角空气孔结构的光子晶体光纤，空气孔直径d=6.14μm，孔间距Λ=7.14μm，光纤内包层直径d _cl=8.1μm，光纤外包层直径D=125μm，硅的有效折射率n _si=1.4466，热光系数为7.0×10^-6/oC，热膨胀系数5.0×10^-5/℃，空气孔的折射率为1.0；

温度为20℃，无磁场作用条件下，光子晶体光纤的水平方向中心行空气孔内填充折射率为1.4318、浓度为1.21%的水基Fe₃O₄磁流体，其热光系数为-2.4×10^-4/oC，磁光系数为4.98×10^-5/Oe，填充长度L=10cm，用该光纤取代Sagnac环镜中的常规双折射光纤。

2.根据权利要求1所述的磁流体填充晶体光纤环镜下温度和磁场同时检测的方法，其特征在于，所述对光子晶体光纤施加外磁场作用时，由20Oe增加到300Oe。

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