CN110081999A - 基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器 - Google Patents

基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN110081999A
CN110081999A CN201810077992.6A CN201810077992A CN110081999A CN 110081999 A CN110081999 A CN 110081999A CN 201810077992 A CN201810077992 A CN 201810077992A CN 110081999 A CN110081999 A CN 110081999A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
double refraction
liquid crystal
strain
crystal optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810077992.6A
Other languages
English (en)
Inventor
韩婷婷
左金
高静
石明珠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Tianjin Normal University
Original Assignee
Tianjin Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin Normal University filed Critical Tianjin Normal University
Priority to CN201810077992.6A priority Critical patent/CN110081999A/zh
Publication of CN110081999A publication Critical patent/CN110081999A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，包括双折射光子晶体光纤、四端口光耦合器和偏振控制器，所述的双折射光子晶体光纤为折射率引导型微结构光纤，其纯石英基底上设置有多层空气孔，通过缺失一个空气孔构成用以导光的纤芯，纤芯周围一圈空气孔中两个相邻的空气孔中选择性填充入液晶材料，所述的液晶材料的n0大于纯石英基底的折射率，n0为偏振方向与液晶光轴方向相垂直时所测得的折射率。通过选择性填充液晶材料，实现了群双折射非线性、非单调变化的双折射光纤。

Description

基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器。
背景技术
光子晶体光纤(Photonic Crystal fiber)，又称微结构光纤(MicrostructureOptical Fiber)或多孔光纤(Holey fiber)，是近年来迅速发展起来的一种具有较高科研价值和广阔市场应用前景的新型光纤，其沿光纤轴向按照一定规律分布着延伸的空气孔。微结构光纤根据导光机理的不同可分为两种：折射率引导型微结构光纤和光子带隙型微结构光纤。前者与传统光纤的导光机制类似，纤芯折射率高于周围由空气孔组成的包层有效折射率，光被约束在纤芯中传输；而光子带隙型微结构光纤的包层具有周期性的折射率分布，通过光子带隙效应将光限制在低折射率的纤芯缺陷中传导。
光子晶体光纤(PCF)以其独特的性能，如无截止单模、高双折射、色散可控在结构性和技术性方面占有很大的优势。由于光子晶体光纤的灵活性较强、易于调控光学性质、机械性能较好，因此在新型光学器件和光学传感器上发挥了极大的作用。除此之外，光子晶体光纤的空气孔为活性功能材料的填充提供了便利性。其中，液晶(LC)材料是一种具有液体和晶体共同特性的优良物质，表现出一些独特的性质，如各向异性特性、高的热光系数和电光效应等。因此，基于液晶填充的光子晶体光纤在检测温度、电场、磁场、X射线、非线性应用等方面有很大的应用潜力。
上述现有技术存在以下缺点；
现有的光纤传感器对应变敏感度差，温度交叉敏感大，不适应对应变大小的测量，尤其是同时考虑温度和应变时，温度和应变感应不能区分。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其具有温度和应力双敏感性，温度灵敏度可达-41nm/℃，应变灵敏度可达24pm/με以上的双参量传感器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，包括双折射光子晶体光纤、四端口光耦合器和偏振控制器，所述的双折射光子晶体光纤为折射率引导型微结构光纤，其纯石英基底上设置有多层空气孔，通过缺失一个空气孔构成用以导光的纤芯，纤芯周围一圈空气孔中两个相邻的空气孔中选择性填充入液晶材料，所述的液晶材料的n0大于纯石英基底的折射率，n0为偏振方向与液晶光轴方向相垂直时所测得的折射率。
在上述技术方案中，所述的纯石英基底上按三角形栅格规律排布了五层空气孔。
在上述技术方案中，所述的空气孔直径和孔距分别为3.6μm和5.9μm。
在上述技术方案中，作为基底材料的二氧化硅的折射率在1550nm处为1.444，所述的液晶材料的n0大于純石英基底折射率。
在上述技术方案中，所述的液晶材料的n0为1.5071，ne为1.6849，ne为偏振方向与液晶光轴方向相平行时所测得的折射率，填充后的光纤出现光子带隙效应，在波长1311nm至1657nm出现光子带隙。
在上述技术方案中，所述的光子晶体光纤直径为125微米，所述的双折射光子晶体光纤长度10-20cm。
在上述技术方案中，双折射光子晶体光纤两端分别与单模光纤熔接，在液晶填充的光子晶体光纤两端分别填充有空气段来代替液体以减少熔接损耗。
在上述技术方案中，所述的空气段的长度大于1cm。
在上述技术方案中，应变变化Δε和温度的变化ΔT，则
其中，干涉峰a和b的波长变化Δλa和Δλb，KTa，KTb，Kεa，Kεb是任选两个干涉峰a和干涉峰b的温度和应变灵敏度。
在上述技术方案中，所述的干涉峰a和b分别对应波长为1540nm和1506nm。
本发明的优点和有益效果为：
(1)通过选择性填充液晶材料，实现了群双折射非线性、非单调变化的双折射光纤。群双折射在特定波长，如1600nm处存在较小的值。
(2)基于群双折射的特性，以及干涉仪的多个干涉峰的传输谱，可以实现对温度和应变的双参量传感测量。其最高温度灵敏度在47.2℃达到为-41nm/℃，应变灵敏度从0με到728με的应变灵敏度均为正值，1540nm处的应变灵敏度达到24pm/με。
附图说明
图1为处理后的光子晶体光纤的横截面显微图。
图2是基于液晶选择性填充双折射光子晶体光纤的Sagnac干涉仪的装置图。
图3是基于液晶选择性填充双折射光子晶体光纤的传输谱。
图4是基于液晶选择性填充光子晶体光纤Sagnac干涉仪的传输谱。
图5是基于液晶选择性填充光子晶体光纤的群双折射特性。
图6是基于液晶选择性填充双折射光子晶体光纤在温度47.4℃至50℃的传输谱特性。
图7是基于液晶选择性填充双折射光子晶体光纤在温度52.4℃至55℃的传输谱特性。
图8是图6和图7所示干涉峰的波长随着温度的变化趋势。
图9是图6和图7所示干涉峰A和D随温度变化的温度灵敏度。
图10是是应变范围0-728με内干涉仪的传输谱。
图11图10所示两个干涉峰波长对应变的变化趋势。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
图1是经过后处理的光子晶体光纤的横截面显微图。纯石英光纤包括五个六边形排列的空气孔环。它的孔直径和孔距分别为3.6μm和5.9μm。作为基底材料的二氧化硅的折射率在1550nm处为1.444，光纤直径为125微米。如图1所示的A和B为两个空气孔，其余的空气孔被石蜡封堵住。如用于填充的液晶材料是MDA-00-1444，它的寻常折射率n0为1.5071，异常折射率ne为1.6849。用压力法将该液晶材料选择性填充到两个空气孔A和B中，填充长度约为15厘米。由于液晶材料的折射率大于基底材料的折射率，填充后的光纤出现光子带隙效应，在波长1311nm至1657nm出现了光子带隙。
将所述液晶材料选择性填充到所述光子晶体光纤的紧挨纤芯的两个空气孔中，这种选择性的填充方式，使得光纤存在了双折射特性。其群双折射在特定波长存在较小的值。将该液晶选择性填充的双折射光子晶体光纤与四端口光方向耦合器相结合形成Sagnac干涉型传感器。光从输入端口进入四端口光方向耦合器中，然后被分成功率基本相等的两束光分别沿顺时针和逆时针经过液晶材料选择性填充的双折射光子晶体光纤，传播一周后再回到耦合器，从另一个端口输出。由于液晶材料选择性填充的双折射光子晶体光纤的双折射效应，两束光之间会产生附加的相位差，从而产生干涉。根据液晶材料具有高的热光特性以及石英基底的弹光效应，通过改变施加到液晶材料填充的双折射光子晶体光纤上的温度场和应变场，实现对液晶材料和基底材料折射率的调控，从而来调控选择性填充双折射光纤的双折射特性，造成传输干涉谱的变化。干涉光谱与温度和应变之间存在一一对应关系，通过解调，即实现了对温度和应变的传感测量。由于所述液晶材料选择性填充的双折射光子晶体光纤的群双折射在特定波长处存在较小的值，使得该波长附近的干涉光谱特性对外界温度和应变极其敏感，从而具有超高灵敏度的传感特性。
实施例二
本发明中基于液晶填充双折射光子晶体光纤Sagnac干涉仪的温度和应变双参量传感器，将基于液晶选择性填充的双折射光子晶体光纤两端分别与单模光纤熔接。为了减少熔接损耗，在液晶填充的光子晶体光纤两端分别填充一段空气段来代替液晶，一般，该空气段的长度在1cm-3cm，如1cm或1.5cm。
实施例三
图2是基于液晶选择性填充的双折射光子晶体光纤的Sagnac干涉仪的装置图。由液晶材料选择性填充的双折射光子晶体光纤、温度和应变传感加载装置、光耦合器，偏振控制器构成。液晶材料选择性填充的双折射光子晶体光纤作为传感头，置于温度加载装置温控箱中，其中一端固定在一个平移台上，另一端通过一个定滑轮被不同重量的砝码施加轴向拉力。该光纤和偏振控制器一同连到光耦合器的两个端口构成的光纤环中。宽带光源(1300nm-1700nm)作为输入端口，光纤光谱仪作为输出端口，检测干涉传输谱。
图3是基于液晶材料选择性填充的光子晶体光纤的传输谱。
图4是基于液晶材料选择性填充的双折射光子晶体光纤的Sagnac干涉仪的传输谱。在光子带隙范围内，出现了不等间距的干涉峰。Sagnac干涉仪的透射谱可以用下面的公式表示：
其中，δ＝2πLB/λ是相位差，L是液体填充长度，B是模式的相双折射，λ是干涉峰的波长。
图5是测量得到的群双折射随波长的变化趋势。群双折射Bg和干涉峰的峰间距Δλ的关系可以用如下公式表示：
Δλ＝λ2/BgL
所以，根据不同波长处的峰间距，可以推导出不同波长处的群双折射特性。从图中可以看到，1325nm到1415nm波段范围内，群双折射随着波长的增大而增大。1415nm到1641nm波段范围内，群双折射呈现非单调的特性，波段两端的群双折射具有较大的值，在1600nm附近具有较小的值。
如果外界温度参量加载于光纤传感头上，根据液晶材料的温度敏感特性，液晶的折射率会发生改变，从而会改变液晶选择性填充的双折射光子晶体光纤的双折射特性。如果将应变参量加载于光纤传感头上，由于弹光效应，会导致基底材料的折射率发生变化，从而也会改变双折射光纤的双折射特性。最终改变双折射光纤Sagnac干涉仪的传输谱特性。其温度和应变的灵敏度可以表示为:
可以看出来，传感灵敏度和群双折射的值成反比。基于图5测量的不同波长的群双折射的特性，在波长1600n-1610m低的群双折射波长处可以实现较高的传感灵敏度。
图6和图7是实验中测量的不同温度下液晶选择性填充的双折射光子晶体光纤Sagnac干涉仪的干涉谱。将填充的双折射光子晶体光纤置入温控箱中，控制加载到光纤上的温度，来探测其温度灵敏度。从47.4℃到50℃的温度范围内，干涉峰A向短波方向漂移，D、E和F向长波方向漂移。干涉峰A、D之间的间隔增大。随着温度的升高，干涉峰B、C出现，并有和A、D类似的趋势。随着温度的升高，干涉峰E、F向波长较长方向偏移。
图8表示干涉峰A-F波长随温度变化的具体趋势。黑色点为实验数据，红色曲线为实验数据的多项式拟合。对红色曲线A、D求导得出干涉峰A、D的温度灵敏度如图9所示，干涉峰A的灵敏度为-41nm/℃到-6nm/℃，干涉峰D的温度灵敏度为28nm/℃到2nm/℃。
图10是实验中测量的不同轴向应变下液晶选择性填充双折射光子晶体光纤Sagnac干涉仪的干涉传输谱。将填充的双折射光子晶体光纤置于应变传感装置中。当应变从0με变化到728με时，干涉峰向长波方向偏移。得到1540nm和1506nm处的应变灵敏度分别为24pm/με和16pm/με。
当温度和应变两个参量共同作用于液晶选择性填充的双折射光子晶体光纤上，跟踪任意两个干涉峰a和b的波长变化Δλa和Δλb，可以推导出应变和温度的变化Δε和ΔT：
其中KTa，KTb，Kεa，Kεb是任选两个干涉峰a和干涉峰b的温度和应变灵敏度。如所述的干涉峰a和b分别对应波长为1540nm和1506nm，即采用全谱测量，然后根据两个干涉峰即结合理论或者实验灵敏度即可得到温度和应变。
本发明对应的项目情况：国家自然科学基金(项目编号：11404240，61501325，61501328)。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：包括双折射光子晶体光纤、四端口光耦合器和偏振控制器，所述的双折射光子晶体光纤为折射率引导型微结构光纤，其纯石英基底上设置有多层空气孔，通过缺失一个空气孔构成用以导光的纤芯，纤芯周围一圈空气孔中两个相邻的空气孔中选择性填充入液晶材料，所述的液晶材料的n0大于纯石英基底的折射率，n0为偏振方向与液晶光轴方向相垂直时所测得的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：所述的纯石英基底上按三角形栅格规律排布了五层空气孔。
3.根据权利要求2所述的一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：所述的空气孔直径和孔距分别为3.6μm和5.9μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：作为基底材料的二氧化硅的折射率在1550nm处为1.444，所述的液晶材料的n0为1.5-1.6。
5.根据权利要求4所述的一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：所述的液晶材料的n0为1.5071，ne为1.6849，ne为偏振方向与液晶光轴方向平行时所测得的折射率，填充后的光纤出现光子带隙效应，在波长1311nm至1657nm出现光子带隙。
6.根据权利要求1所述的一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：所述的光纤直径为125微米，所述的双折射光子晶体光纤长度10-20cm。
7.根据权利要求1所述的一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：液晶填充的双折射光子晶体光纤两端分别与单模光纤熔接以减少熔接损耗。
8.根据权利要求7所述的一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：所述的空气段的长度大于1cm。
9.根据权利要求1所述的一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：应变变化Δε和温度的变化ΔT，则
其中，干涉峰a和b的波长变化Δλa和Δλb，KTa，KTb，Kεa，Kεb分别是任选两个干涉峰a和干涉峰b的温度和应变灵敏度。
10.根据权利要求9所述的一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其特征在于：所述的干涉峰a和b分别对应波长为1540nm和1506nm。
CN201810077992.6A 2018-01-26 2018-01-26 基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器 Pending CN110081999A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810077992.6A CN110081999A (zh) 2018-01-26 2018-01-26 基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810077992.6A CN110081999A (zh) 2018-01-26 2018-01-26 基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110081999A true CN110081999A (zh) 2019-08-02

Family

ID=67412673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810077992.6A Pending CN110081999A (zh) 2018-01-26 2018-01-26 基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110081999A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115683387A (zh) * 2023-01-03 2023-02-03 中天电力光缆有限公司 基于低双折射光子晶体光纤的分布式绝对温度传感方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1831486A (zh) * 2006-04-21 2006-09-13 北京交通大学 基于双模光子晶体光纤的横向应力传感系统及实现方法
CN102818583A (zh) * 2012-08-08 2012-12-12 南开大学 基于功能材料选择性填充微结构光纤的干涉型传感器
CN105115436A (zh) * 2015-08-04 2015-12-02 苏州光环科技有限公司 传感装置及监测应力和温度的方法
CN107101951A (zh) * 2017-05-07 2017-08-29 东北大学 一种用于氢气浓度和温度同时测量的光纤传感器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1831486A (zh) * 2006-04-21 2006-09-13 北京交通大学 基于双模光子晶体光纤的横向应力传感系统及实现方法
CN102818583A (zh) * 2012-08-08 2012-12-12 南开大学 基于功能材料选择性填充微结构光纤的干涉型传感器
CN105115436A (zh) * 2015-08-04 2015-12-02 苏州光环科技有限公司 传感装置及监测应力和温度的方法
CN107101951A (zh) * 2017-05-07 2017-08-29 东北大学 一种用于氢气浓度和温度同时测量的光纤传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
韩婷婷: ""基于功能材料填充的微结构光纤特性调控机理及其应用研究"", 《博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115683387A (zh) * 2023-01-03 2023-02-03 中天电力光缆有限公司 基于低双折射光子晶体光纤的分布式绝对温度传感方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Dual-core photonic crystal fiber for hydrostatic pressure sensing
Liu et al. Broadband single-polarization photonic crystal fiber based on surface plasmon resonance for polarization filter
Liu et al. Two kinds of polarization filter based on photonic crystal fiber with nanoscale gold film
Li et al. Magnetic field and temperature sensor based on a no-core fiber combined with a fiber Bragg grating
Qian et al. Intensity measurement based temperature-independent strain sensor using a highly birefringent photonic crystal fiber loop mirror
Miao et al. Simultaneous measurement of temperature and magnetic field based on a long period grating concatenated with multimode fiber
Ma et al. A highly sensitive magnetic field sensor based on a tapered microfiber
Song et al. Loss-based magnetic field sensor employing hollow core fiber and magnetic fluid
Yang et al. Cylindrical vector modes based Mach-Zehnder interferometer with vortex fiber for sensing applications
Rajan et al. A liquid crystal coated tapered photonic crystal fiber interferometer
Zhu et al. Magnetic field sensing using magnetic-fluid-filled optofluidic ring resonator
Feng et al. A broadband core shift polarization filter based on photonic crystal fiber with a big gold-coated air hole
CN109374027A (zh) 一种基于高双折射微纳光纤的Sagnac双参量光纤传感器
Zuo et al. High sensitivity temperature sensor with an avoided-crossing based selective-filling high birefringent photonic crystal fiber Sagnac interferometer
Revathi et al. Pressure and temperature sensor based on a dual core photonic quasi-crystal fiber
Zou et al. Ultra-broadband polarization splitter based on graphene layer-filled dual-core photonic crystal fiber
Fan et al. Birefringent photonic crystal fiber coils and their application to transverse displacement sensing
Jiang et al. A miniaturized and high-bandwidth polarization filter based on a plasmonic and liquid crystal offset core photonic crystal fiber
Bai et al. An ultrashort length and high extinction ratio polarization beam splitter based on dual-core PCF
Zhang et al. Temperature-controlled and multi-functional splitter based on dual-core photonic crystal fiber
CN110081999A (zh) 基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器
Liang et al. Magnetic-ionic-liquid-functionalized photonic crystal fiber for magnetic field detection
Fatema et al. Effect of core infiltration in the birefringence of Photonic Crystal Fiber
CN109798924A (zh) 选择性填充双折射微结构光纤式干涉型高灵敏度传感器
Mao et al. In-fiber Mach–Zehnder interferometer based on multi-mode fiber and up-taper for curvature sensing

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190802

RJ01 Rejection of invention patent application after publication