CN105181170A - 一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤马赫-曾德干涉仪的温度传感器 - Google Patents

一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤马赫-曾德干涉仪的温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤马赫-曾德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、传感头3、温度控制箱4、传输光纤5、光谱仪6组成；经过腐蚀的光子晶体光纤构成传感头3，传感头3的一端通过传输光纤2与宽带光源1相连，另一端通过传输光纤5与光谱仪6相连；本发明结构精巧，可用于高压、电气噪声、高温、腐蚀等恶劣环境。

Description

一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤马赫-曾德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马赫-曾德干涉仪的温度传感器。
背景技术
传感器在帮助人们获得外界的各种信息上有不可取代的重要作用，且被广泛应用在工业、农业、林业等各个领域。随着现代科技的发展，人们对传感器的要求越来越高，一些新机理和高灵敏度传感器使得一些领域的研究产生了突破性的进展。近些年，光纤传感器作为一类新型的传感器，越来越受到人们的关注。与其他的传感器相比，光纤传感器体积小，可在高压、强电磁场等恶劣环境中使用，并且可测量多种物理量。
光子晶体光纤(photoniccrystalfibers，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。
马赫-曾德干涉仪简介：光纤马赫-曾德干涉仪是一种功能型光纤传感器，在光纤技术中常用作相位、频率等的调制解调器。一般的意义上的马赫-曾德光纤传感器由光源、分束器、两根光纤、耦合器、探测器构成，其中两根光纤分别作为参考光路和调制光路。在两条光路中传输的光在耦合器中汇合，由于光程差的存在而发生干涉，其干涉光谱显示在探测器上。当对调制光路进行温度等物理量的调制时，调制光路传输的光的光程将会发生变化，导致原来的光程差发生变化，干涉光谱也发生变化。通过分析光谱的变化与物理量变化对应的关系，即可得到该传感器的灵敏度。随着科技进步，改进后的光纤马赫-曾德干涉仪不需要用两根光纤作为参考光路和调制光路，通过一些结构的构造熔接，使得一根光纤就可以实现两部分光的干涉，此时光纤不仅仅是作为传输光的传输光纤，更可以作为传感器使用。
一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤马赫-曾德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、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马赫-曾德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马赫-曾德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、传感头3、温度控制箱4、传输光纤5、光谱仪6组成；经过腐蚀的光子晶体光纤构成传感头3，传感头3的一端通过传输光纤2与宽带光源1相连，另一端通过传输光纤5与光谱仪6相连。
所述的一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤马赫-曾德干涉仪的温度传感器，其特征在于制作传感头3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马赫-曾德干涉仪的温度传感器，其特征在于所述的传感头3长度为100μm。
所述的一种基于腐蚀处理的光子晶体光纤马赫-曾德干涉仪的温度传感器，其特征在于传输光纤2和传输光纤5所使用的单模光纤可采用G.652、G.653和G.655单模光纤，熔接在传感头3两端的传输光纤2和传输光纤5的长度分别为20～30cm。
本发明的优点在于：该传感器结构精巧，可用于高压、电气噪声、高温、腐蚀等恶劣环境。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是本发明使用的未经处理的光子晶体光纤的横截面图
图3是本发明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是传感头与传输光纤的熔接交界面示意图
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马赫-曾德干涉仪的温度传感器包括宽带光源1、传输光纤2、传感头3、温度控制箱4、传输光纤5以及光谱仪6。传感头3的制作如下：将一段光子晶体光纤的一端与传输光纤2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与传输光纤5用熔接机进行无坍塌熔接，该经过腐蚀处理的光子晶体光纤构成传感头3。传输光纤2接宽带光源1，传输光纤5接光谱仪6。
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，并在下一个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。干涉的光经由传输光纤传入光谱仪，在光谱仪上显示出干涉光谱。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，导致沿着细芯和空气腔传输的光的光程差发生改变，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马赫-曾德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、传感头3、温度控制箱4、传输光纤5、光谱仪6组成；经过腐蚀的光子晶体光纤构成传感头3，传感头3的一端通过传输光纤2与宽带光源1相连，另一端通过传输光纤5与光谱仪6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马赫-曾德干涉仪的温度传感器，其特征在于制作传感头3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马赫-曾德干涉仪的温度传感器，其特征在于所述的传感头3长度为100μm。
4.根据权利要求1所述的基于腐蚀处理的光子晶体光纤马赫-曾德干涉仪的温度传感器，其特征在于传输光纤2和传输光纤5所使用的单模光纤可采用G.652、G.653和G.655单模光纤，熔接在传感头3两端的传输光纤2和传输光纤5的长度分别为20～30cm。
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