CN108562386A - 一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，在光纤包层引入4个十字型分布超大边孔并于内侧镀金纳米薄膜并选择其一填充磁流体，而小空气孔呈正八角形分布于包层，实现高灵敏度任意方向横向应力传感。其测量装置包括光源、横向应力传感器及解调部分。该传感器结合超大边孔与表面等离子体技术，大大提高横向应力传感灵敏度。磁流体填充引起Y偏振基模损耗峰产生双峰，带来新的自由度，实现温度补偿。通过多参数解调及正交分解方法，实现任意方向横向应力的测量。结果显示在横向应力作用下，基模X偏振最大灵敏度为3.4nm/N，Y偏振为4.6nm/N。该传感器结构简单、灵敏度高、紧凑小巧，适用于多领域精确的横向应力测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学传感方法及传感器，尤其涉及一种基于温度补偿的光子晶体光纤应力传感器。本发明利用大孔光子晶体光纤光谱特性易受外界应力影响的特性，结合磁流体填充及表面等离子共振技术，设计一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，从而对外界应力进行监测。
背景技术
光子晶体光纤（PCF, Photonic Crystal Fibers）由于其特殊的光学特性，吸引了研究人员的广泛关注。随着制造技术的发展与进步，基于PCF的传感器被广泛应用于应变或温度监测的各个方面。然而，许多关于应变传感的研究集中在纵向分量上，横向分量由于受到其不敏感性难以直接测量。随着表面等离子共振（SPR, Surface Plasmon Resonance）技术的发展，将光子晶体光纤与SPR技术结合，可大大提高传感检测的灵敏度。但是由于这种基于光晶体光纤的SPR传感器制造工艺较为复杂，大大限制了PCF-SPR传感器的发展。因此，迫切需要提出并设计一种易于实现的基于光子晶体光纤的SPR横向应力传感器。本发明通过在光纤包层中引入四个超大侧孔，结合SPR技术，设计了一种基于PCF的具有高灵敏度的横向应力传感器。此外，在测量过程中，环境温度会对测量结果产生干扰。为解决温度和横向应力交叉敏感问题，在其中一个大孔中填充对温度敏感的磁流体材料。从而，可以实现一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器。
发明内容
本发明提供了一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器。该传感器基于光子晶体光纤，利用特殊的超大边孔结构与SPR技术，通过波长依赖的偏振滤波特性实现了对任一方向横向应力的有效检测。另外，通过在其中一个大孔中填充对温度敏感的磁流体材料，应用耦合模理论，有效地减轻温度和横向应力的交叉敏感。具有结构简单，灵敏度高，易于实现等特点。
本发明的技术方案如下：一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：光纤包层内存在4个十字型分布超大边孔(5)，边孔内镀金纳米薄膜(6)，且其一填充磁流体材料(7)；小孔(8)呈正八角形分布于纤芯(9)外侧。
一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：传感器直径为16μm，其长度为5~10cm。其包层中左右两侧4个小空气孔其直径为0.75μm，上下两侧的4个其直径为0.7μm。纤芯直径为0.4μm。4个超大边孔的直径为5μm，在其内侧涂覆金纳米薄膜。上下两侧金纳米薄膜厚度为80nm，左右两侧厚度为50nm，金的折射率由Drude模型给出。上方大边孔内填入水基(浓度1.8%)磁流体，其折射率随温度和磁场变化公式如下所示，其中为磁场变化，为温度变化。
其配套传感装置由光源部分(1)、横向应力传感器部分(2)、解调部分(3)组成。光源部分用单模光纤将宽带光源的信号引入横向应力传感器中，横向应力传感器部分用于调制光信号，解调部分采用光谱仪解调输出经传感器调制后的光信号。光源部分所用光纤为第一段单模光纤，横向应力传感器部分所用光纤为经优化设计的光子晶体光纤，解调部分所用光纤为第二段单模光纤。
一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：选择性的单孔磁流体填充使得传感器具有偏振滤波特性，以实现温度补偿的任意方向横向应力传感。其损耗谱会出现三个峰值，基模X偏振态损耗峰出现在1168nm处，Y偏振态不受磁流体影响的损耗峰出现在1218nm处，受磁流体影响的损耗峰出现在1321nm处。
在光纤包层中引入四个镀金属膜的超大空气孔，结合SPR技术，实现对横向应力的检测，并在其中一个空气孔中填充温敏材料磁流体。根据耦合模理论，基模会与SPP模发生不完全耦合，其表现为基模损耗谱出现损耗峰。由于其中一大孔填充磁流体材料，其与基模耦合波长会与对称侧空气孔耦合波长出现不同，因此在损耗谱上表现出双损耗峰的情况。磁流体的填充增加测量的自由度，从而可以用作温度传感，以消除环境温度对应力测量的干扰。通过对垂直方向和水平方向大空气孔及镀膜的优化设计，该传感器实现了波长依赖的偏振滤波。在光子晶体光纤应力传感器上施加不同方向的横向应力，其损耗光谱将会出现不同的漂移。为了检测任一方向上的横向应力，将所施加的应力分成两个正交分量，不同波长处不同偏振损耗峰对应发生位移；从而，可以实现一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器。
本发明的有益效果在于：1.本发明实现了一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，通过超大边孔和SPR技术相结合，提高了横向应力传感的灵敏度，具有结构简单、高灵敏度的特点。
2.本发明实现了一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，具有波长依赖的偏振滤波特性，可以有效的检测任一方向的横向应力，并且解决了温度与应力的交叉敏感问题。
附图说明
图1为传感器的结构及配套传感装置示意图：1.宽带光源、2.横向应力传感部分、3.光谱分析仪、4.传感器结构。
图2为传感器偏振滤波特性波长依赖特性示意图。
图3为X与Y方向下受力与空气孔形变关系示意图。
图4为X方向施加横向应力时损耗谱与应力关系示意图。
图5为Y方向施加横向应力时损耗谱与应力关系示意图。
图6为损耗谱与温度关系示意图。
图7为X与Y方向施加横向应力以及温度变化时损耗谱漂移量示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图1-7对本发明的具体结构、原理以及实验过程进行进一步详细的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，结构示意图如图1中(4)所示，其配套实验装置包括宽带光源装置(1)、横向应力传感部分(2)、光谱分析仪(3)。横向应力传感部分(2)由传感器和横向外力施加装置组成，传感器的两端熔接了两根单模光纤，这两根单模光纤分别被固定在两个刻度旋转纤维支架上，通过旋转可以方便地从任意角度施加横向应力。传感器被放置于固体块（下）和玻璃板（顶）之间，外力作用于玻璃板可使力平均的施加到传感器上。
下面结合实验装置对本发明提出的一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器实际测量过程进行描述：实际测量时，宽带光源光通过单模光纤传输入本传感器后再通过单模光纤传输入光谱分析仪进行分析，此时在光谱分析仪的光谱上能看见1168nm，1218nm以及1321nm处出现能量波谷。利用传感器上方的玻璃板对传感器施加均匀的横向外力，此时三个能量波谷的位置会在光谱仪上发生改变，将其漂移量记录，利用三参数解调的方式即可求得横向外力F以及外力施加角度θ。通过旋转刻度旋转纤维支架可以改变加力方向，从而调整外力施加角度θ。
本传感器横向应力传感特性研究过程主要采用有限元仿真的方法，首先研究了本传感器的特性。通过截面结构的特殊设计，传感器实现了波长依赖的偏振滤波特性。对称的十字型大边孔结构使得基模XY偏振态分别与水平垂直方向边孔的SPP模发生耦合，在损耗谱上出现对于损耗峰。通过水平垂直方向边孔涂覆的金纳米层厚度的调节，可以实现对不同损耗峰的位置的选择。此外垂直方向其一大孔内填充磁流体材料，导致其与基模的耦合波长与对称侧大孔与基模的耦合波长发生偏移，Y偏振态基模出现双损耗峰的情况。如图2所示，三个损耗峰λxpol、λypol、λypol-filled分别出现在1168nm，1218nm以及1321nm处，其中1168nm处损耗峰为水平方向大边孔SPP模与基模X偏振耦合产生，1218nm处损耗峰为垂直方向下方大边孔SPP模与基模Y偏振耦合产生，1321nm处损耗峰为垂直方向上方大边孔SPP模与基模Y偏振耦合产生。利用损耗峰受外界参量影响产生漂移量不同可达到传感目的。
根据以上的研究，本传感器波长依赖的偏振滤波特性非常适合温度补偿的横向应力传感。接下来采用有限元法计算横向外力对光纤截面结构以及材料折射率的影响。模拟任意方向横向外力分解于正交坐标系，选择X和Y两个方向进行1~5N微应力的添加。其结果如图3所示，在X与Y方向施加横向应力时，空气孔形变与外力之间呈线性关系，且对称空气孔形变呈现出基本相同的特点。由于小孔形变过小，且损耗峰移动主要和大边孔上SPP模的变化有关，因此可将小孔形变忽略，以方便研究计算。
将横向外力计算的截面形变与材料折射率变化代入模型，继续通过有限元法对本传感器的电磁场特性进行研究。图4与图5展示了在横向外力作用下，XY偏振损耗峰随横向外力漂移情况。图4所示为X方向施加横向应力时损耗谱与应力关系示意图，由左侧图可看出随着X方向施加横向应力时，Y偏振两个损耗峰发生轻微蓝移，右侧图显示X偏振损耗峰发生明显红移。图5所示为Y方向施加横向应力时损耗谱与应力关系示意图，由左侧图可知随着Y方向施加横向应力时，Y偏振两个损耗峰发生明显红移，右侧图显示X偏振损耗峰发生轻微蓝移。
为了对横向应力传感时，温度的影响进行补偿，我们改变温度影响的因素，如磁流体折射率、光纤材料的折射率等再进行有限元计算。图6所示基模损耗谱与温度关系示意图，由图可知温度升高损耗峰均发生蓝移，但与填充磁流体SPP模耦合的峰值漂移明显更大。三个峰值受应力X,Y分量以及温度影响下漂移量均不同。
根据图4~6计算结果，可以得到在不同横向外力及温度下的基模损耗峰漂移情况。如图7所示为X与Y方向施加横向应力以及温度变化时损耗谱漂移量示意图。由此可知，传感器受到横向应力X分量影响下，三个峰值的漂移量分别为3.4nm/N、-0.6nm/N、-1.1nm/N；受到横向应力Y分量影响下，三个峰值的漂移量分别为-0.8nm/N、4.6nm/N、3.5nm/N；温度影响下，三个峰值的漂移量分别为-0.9nm/N、-0.4nm/N、-2.5nm/N。由此便得到了不同外界参量的灵敏度，从中可以看出本传感器对横向应力灵敏度颇高，将其代入如下多参数解调公式，结合正交分解，即可在排除温度影响的情况下得到任意方向下的横向应力。
通过上述方式，本发明实现一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，通过大边孔结构及SPR技术的结合，增大了横向应力传感的灵敏度。传感器具有的波长选择偏振依赖特性，使任意方向的横向应力可被分解与两个正交方向分别进行求解。最后磁流体的选择性填充，使传感器可以排除温度敏感对横向应力传感的影响。综上本发明中传感器实现了温度不敏感的高灵敏度任意方向横向应力传感，该传感器具有结构简单可靠，灵敏度高的特点。
Claims (4)
1.一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：光纤包层内存在4个十字型分布超大边孔(5)，边孔内镀金纳米薄膜(6)，且其一填充磁流体材料(7)，小孔(8)呈正八角形分布于纤芯(9)外侧；其配套传感装置由光源部分(1)、横向应力传感器部分(2)、解调部分(3)组成；光源部分用单模光纤将宽带光源的信号引入横向应力传感器中，横向应力传感器部分用于调制光信号，解调部分采用光谱仪解调输出经传感器调制后的光信号。
2.根据权利要求1所述的一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：传感器直径为16μm，其长度为5~10cm；
其包层中左右两侧4个小空气孔其直径为0.75μm，上下两侧的4个其直径为0.7μm；纤芯直径为0.4μm；4个超大边孔的直径为5μm，在其内侧涂覆金纳米薄膜；上下两侧金纳米薄膜厚度为80nm，左右两侧厚度为50nm。
3.根据权利要求1所述的一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：选择性的单孔磁流体填充使得传感器具有偏振滤波特性，以实现温度补偿的任意方向横向应力传感；其损耗谱会出现三个峰值，基模X偏振态损耗峰出现在1168nm处，Y偏振态不受磁流体影响的损耗峰出现在1218nm处，受磁流体影响的损耗峰出现在1321nm处。
4.根据权利要求1所述的一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：其一大边孔内填入水基(浓度1.8%)磁流体，其在温度为20℃，磁场为0mT的情况下，折射率为1.3418。
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