CN104897302A - 一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于：由宽带光源1、传输光纤2、环形器3、传输光纤4、传感头5、温度控制箱6、传输光纤7、光谱仪8组成；经过腐蚀并在端面镀石墨烯膜和金膜的光子晶体光纤构成传感头5，传感头5的一端通过传输光纤4与环形器3的b端相连，传感头5置于温度控制箱6中；环形器的a端通过传输光纤2与宽带光源1相连，环形器的c端通过传输光纤7与光谱仪8相连。本发明体积小，探头式结构使用方便，抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高。

Description

一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器。

背景技术

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术，是许多经济、军事强国争相研究的高新技术，可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域，如在航天(温度测量、陀螺等)、电力传输(高压输电网的电流测量、电压测量)、航海(声纳)、石油开采(液面高度、流量测量)、科学研究等众多领域的应用。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，具有高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、体积小等优点。

光子晶体光纤(photonic crystal fibers，简称PCF)由石英材料构成，是一种介电常数呈周期性分布的光纤，其变化周期的数量级达到光波长的数量级，是具有光子频率禁带的特殊光学材料。光子晶体光纤相较于传统光纤，具有无截止单模传输、可调节色散、高双折射、可进行偏振控制等特性。按照导光原理，光子晶体光纤可分为折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。折射率引导型光子晶体光纤与传统全内反射光纤导光机制类似，其纤芯的有效折射率高于包层的有效折射率，满足全内反射导光原理条件。本专利采用的光子晶体光纤LMA-10即是一种折射率引导型光子晶体光纤。

迈克尔逊干涉仪简介：传统光纤迈克尔逊干涉仪的是由光源、3dB耦合器、两根光纤，反射镜、探测器组成；两根光纤的其中一根作为参考光纤，另一根作为信号光纤。光源发出的光经过隔离器后，进入3dB光纤耦合器，分成两路光强一样的光分别从耦合器的a端和b端射出，一路经过信号光纤，被外界信号调制，然后被反射镜反射，从原路返回射入a端口。另一路则经过参考光纤后直接反射回来进入b端口，从a和b端口射入的两路光在耦合器中耦合的时候发生干涉，而调制信号引起的相位变化就会反映到干涉信号中，经过光电转换之后，利用光强变化可以准确测量相位的变化情况，而这个相位的变化，准确记录了外界调制信号，这就是利用迈克尔逊干涉仪来进行的检测的基本原理。在改进的光纤迈克尔逊干涉仪中，通过对光纤进行刻蚀、熔接加工等方法，使得普通传输光纤形成特定结构，可以实现光纤耦合器分光合光的作用；此时，当光传输至耦合器时，原来仅在传输光纤纤芯中传输的光将分别在纤芯和包层中传输，传输至光纤端面时，由于光纤端面的菲涅尔反射，在纤芯和包层中传输的光将反向传输，并在光纤耦合器处实现合光。此时，在同一个光纤中就可以实现光传播的两个路径。通过对该两个路径传输光的干涉光谱进行检测，就可以从干涉信号的变化中得到外界调制信号的变化。在光纤端面镀金膜可以大大加强光反射的效率，使得检测更为精确。

一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其传感头是由经过腐蚀的光子晶体光纤制作而成，传感头与传输光纤、环形器、宽带光源、光谱仪一起构成该光纤传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器的技术方案。

所述的一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于由宽带光源1、传输光纤2、环形器3、传输光纤4、传感头5、温度控制箱6、传输光纤7、光谱仪8组成；经过腐蚀并在端面镀石墨烯膜和金膜的光子晶体光纤构成传感头5，传感头5的一端通过传输光纤4与环形器3的b端相连，传感头5置于温度控制箱6中；环形器的a端通过传输光纤2与宽带光源1相连，环形器的c端通过传输光纤7与光谱仪8相连。环形器3的作用是将光纤中传输的正向(输入)光信号和反向(输出)光信号分开，环形器3沿着a→b→c的光路单向环形。

所述的一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于制作传感头5时需使用的光子晶体光纤型号为LMA-10。

所述的一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于所述的传感头5长度为100μm。

所述的一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于所使用的单模光纤可采用G.652、G.653和G.655单模光纤；传输光纤2、传输光纤4、传输光纤7的长度均为20～30cm。

本发明的优点在于：该传感器体积小，探头式结构使用方便，抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是使用的未经处理的光子晶体光纤的横截面图

图3是经腐蚀处理后的光子晶体光纤的横截面图

图4是光子晶体光纤腐蚀前后的区域对比图

图5是传感头结构以及传感头与传输光纤交界示意图

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进一步说明：

如图1所示，一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器由宽带光源1、传输光纤2、环形器3、传输光纤4、传感头5、温度控制箱6、传输光纤7、光谱仪8组成。传感头5的制作如下：将一段光子晶体光纤的一端与传输光纤4用熔接机进行不坍塌熔接，再将光子晶体光纤的另一端垂直浸入HF酸溶液进行腐蚀。由于毛细效应，腐蚀性溶液进入光子晶体光纤的空气孔中。经过180秒，光子晶体光纤周期性排列的每一个圆形空气孔壁都经过腐蚀而消失，使得光子晶体光纤原本由圆形空气孔排列的六边形区域腐蚀成六边形空气孔。且由于腐蚀，空气孔包围的实心部分变细，形成一个直径约为2μm的细芯部分。腐蚀之前的光子晶体光纤端面如图2所示，其中白色圆形小孔为空气孔，灰色部分为石英材料。经腐蚀后的光子晶体光纤如图3所示，灰色部分是石英材料，六边形的白色部分是经腐蚀后形成的空气孔，中心被周期性排列的空气孔包围的实心部分经腐蚀后变细。腐蚀前后边界对比图如图4所示，从图4可以看出，腐蚀后，六边形空气腔的范围比未腐蚀的圆形空气孔排列所构成的六边形区域稍大一点，细芯部分比未腐蚀的圆形空气孔围绕的中央部分稍小一点。将该经过处理的光子晶体光纤的另一端面镀一层薄的石墨烯膜，再在石墨烯膜上镀一层金膜；镀石墨烯膜的作用是防止后续镀金时，防止喷的金进入空腔，且石墨烯膜不影响光的传输及分布；金膜的作用是加强光在传感头端面的反射。该经过腐蚀处理并镀膜的光子晶体光纤构成传感头5。传感头5的一端通过传输光纤4与环形器3的b端相连，传感头5置于温度控制箱6中；环形器的a端通过传输光纤2与宽带光源1相连，环形器的c端通过传输光纤7与光谱仪8相连。

本发明装置的工作方式为：传感头与传输光纤的熔接交界面如图5所示，传输光纤是单模光纤，光主要在纤芯中传播，纤芯直径约为8μm。宽带光源发出的光通过传输光纤2进入环形器a端，环形器a→b使得光单向传输至环形器b端，并通过传输光纤4进入传感头，在传感头与传输光纤熔接的交界面处，光会由于传输光纤纤芯与传感头中间的细芯大小不匹配，导致一部分光进入光子晶体光纤的空气孔。光在传感头中分别沿着细芯和空气腔传输，在传感器端面金膜处发生反射；反射光沿着细芯和空气腔进行反向传输并在传感头与传输光纤熔接的交界面共同进入传输光纤的纤芯，且由于有稳定的光程差而发生干涉。干涉光的信号沿着传输光纤4反向传输至环形器端口b，环形器b→c使得光单向传输至环形器c端，并通过传输光纤7进入光谱仪，在光谱仪上显示出干涉光谱。

光信号的相位公式可以用下面的公式进行表述：

$\mathrm{\ψ}=\frac{2\mathrm{\πnL}}{\mathrm{\λ}}$

其中n是光传输的介质的折射率，L是光传输的路程，λ是传输的光的波长。

对于光纤迈克尔逊干涉仪，由于在端面发生的反射，光传输的路程是两倍，其干涉光的相位差可以下面的公式进行表述：

$\mathrm{\Δ\ψ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_{\mathrm{cavity}}-n_{\mathrm{core}})L$

其中n_cavity和n_core分别是空气腔和细芯的折射率，n_cavity-n_core是空气腔和细芯的有效折射率的差。

当外界温度变化时，由于细芯和空气腔对温度变化的响应程度不同，导致(n_cavity-n_core)L发生改变，在光谱仪上显示出干涉光谱的漂移。光谱的漂移量和温度变化量有关，所以监测干涉光谱的变化就可以进一步计算出该传感器的温度灵敏度。

Claims (4)

1.一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于由宽带光源1、传输光纤2、环形器3、传输光纤4、传感头5、温度控制箱6、传输光纤7、光谱仪8组成；经过腐蚀并在端面镀石墨烯膜和金膜的光子晶体光纤构成传感头5，传感头5的一端通过传输光纤4与环形器3的b端相连，传感头5置于温度控制箱6中；环形器的a端通过传输光纤2与宽带光源1相连，环形器的c端通过传输光纤7与光谱仪8相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于制作传感头5时需使用的光子晶体光纤型号为LMA-10。

3.根据权利要求1所述的一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于所述的传感头5长度为100μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器，其特征在于所使用的单模光纤可采用G.652、G.653和G.655单模光纤；传输光纤2、传输光纤4、传输光纤7的长度均为20～30cm。