CN111366081A - 基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器 - Google Patents
基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111366081A CN111366081A CN202010280419.2A CN202010280419A CN111366081A CN 111366081 A CN111366081 A CN 111366081A CN 202010280419 A CN202010280419 A CN 202010280419A CN 111366081 A CN111366081 A CN 111366081A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- parameter sensor
- photonic crystal
- sensor based
- crystal fiber
- dual parameter
- 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
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 title claims abstract description 29
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 13
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 14
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 10
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 10
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 125000003944 tolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
Images
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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
-
- 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
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/032—Optical fibres with cladding with or without a coating with non solid core or cladding
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
本发明公开了基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，包括芯层、包层和甲苯液体，所述芯层位于光纤的中心轴线上，所述包层内均匀设置六层圆形的空气孔，所述空气孔呈环形阵列分布，所述甲苯液体填充在所述包层自内向外第二层的一个空气孔中，本发明能实现对扭曲和温度的同时传感监测，且两种传感机理相互不受影响，该双参量光纤传感器不仅结构简单，也具有较高的扭曲、温度灵敏度，在机械受力应变、扭曲及温度预警等领域具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器。
背景技术
1977年，美国海军研究所开始执行Foss(光纤传感器系统)计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。自光纤传感器问世以来，光纤传感技术获得了极大的关注，由于其具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、频带宽、动态范围大及测量对象广泛等特点，且结构简单、体积小、质量轻、耗能小，使得光纤传感器具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景，其应用范围几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活。在当前信息化社会，光纤传感技术已应用于工业、军事、医疗、通讯以及恶劣环境下物理量的测量等领域中。“中国2010年远景规划”已将光纤传感器列为重点发展的产业之一，随着我国智慧城市、物联网建设的发展，光纤传感器的市场需求和发展空间的潜力巨大，传感测量环境中，变化的物理量往往不止一个，因此，多参量传感已成为光纤传感领域的重要研究课题之一。
发明内容
本发明为了解决现有技术缺乏同时监测扭曲率和温度的双参数传感器问题，提出基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器。
基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，包括芯层、包层和甲苯液体，所述芯层位于光纤的中心轴线上，所述包层内均匀设置六层圆形的空气孔，所述空气孔呈环形阵列分布，所述甲苯液体填充在所述包层自内向外第二层的一个空气孔中。
其中，所述芯层和所述包层均采用二氧化硅材料制成，且填充材料采用温敏液体甲苯。
其中，所述空气孔的孔间距为3μm，直径为1μm，扭曲率的范围为13.8～14.214rad/mm，每次间隔为0.138rad/mm，所述甲苯液体的折射率随温度改变，温度范围为15～30℃，每次间隔5℃。
其中，双参数传感器的工作波长范围为450～600nm。
其中，双参数传感器还具有由纤芯模和包层模形成的超模，所述超模具有六层对称的单个模式剖面，并且位于所述包层内的空气孔的第三环和第四环之间。
其中，双参数传感器的扭曲率范围为13.8～14.214rad/mm，双参数传感器的扭曲传灵敏度不小于3.623×10-6mm2/rad。
其中，双参数传感器的温度范围为15～30℃，双参数传感器的温度传感灵敏度不小于2nm/℃。
本发明的有益效果为：对螺旋光子晶体光纤，螺旋结构导致特定波长的波导模能量泄露至所述包层，表现为纤芯导模的损耗增大，出现损耗峰，通过将高热光系数的液体选择性填充空气孔，当纤芯波导模和填充的波导模式相匹配时，纤芯中的能量会强烈地耦合到填充形成的波导中，表现为狭窄的损耗峰，且这两个损耗峰产生的机理完全不同，通过监测损耗峰对应波长的漂移实现温度和扭曲率双参数的同时测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器的螺旋光子晶体光纤的横截面示意图。
图2为本发明基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器的螺旋光子晶体光纤的三维结构示意图。
图3为本发明基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器在温度T＝20℃、扭曲率α＝13.8rad/mm时，纤芯导模的损耗特性。
图4为本发明基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器在温度T＝20℃时，纤芯导模在不同扭曲率下的损耗特性。
图5为本发明基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器在扭曲率α＝13.8rad/mm时，纤芯导模在不同温度下的损耗特性。
1-芯层、2-包层、3-甲苯液体。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
具体实施例1：
利用坐标变换简化螺旋波导结构，螺旋坐标系用(ξ1，ξ2，ξ3)表示，笛卡尔坐标系用(x,y,z)表示，两个坐标系之间的关系表达式为：
x＝ξ1cos(αξ3)+ξ2sin(αξ3)
y＝-ξ1sin(αξ3)+ξ2cos(αξ3)
z＝ξ3
α表示扭曲率，当α＞0时，对应于一个左向旋转的扭曲率，当α＜0时，对应于一个右向旋转的扭曲率。光纤的传输在某些波长上表现出独特的传输损耗，这与纤芯导模和环形轨道角动量模式之间的耦合有关。
光子晶体光纤的填充液体为甲苯，由于其折射率高于光纤基底折射率，填充空气孔形成另一个高折射率的波导纤芯，在特定波长下纤芯会与该波导发生定向耦合，表现为螺旋光子晶体光纤的传输谱出现另外一个狭窄的损耗峰(定向耦合损耗峰)。由于定向耦合损耗峰的波长与填充液体折射率相关，温度的变化引起填充液体折射率变化，从而引起定向耦合损耗峰对应波长的漂移。因此可以通过测量损耗峰值位置的移动来间接测量温度的变化。所述甲苯液体3的折射率可以由Sellmeier方程和折射率温度线性关系得到：
其中，λ为入射波长，T为环境温度，单位为℃，所述甲苯液体3温敏系数α＝5.273×10-4，由于石英的温敏系数比所述甲苯液体3小两个量级，由此可以近似认为其折射率不受温度影响。
参阅图1和图2，所述光子晶体光纤结构包括从内自外的所述芯层1和所述包层2，光纤的横截面为圆形，所述芯层1位于光纤的最内层，所述包层2内均匀设置六层圆形的空气孔，所述包层2内的空气孔呈环形阵列分布，去掉位于六个顶角的空气孔。孔间距Λ为3μm，空气孔直径d为1μm，光纤半径为20μm，测量温度变化时，扭曲率α＝13.8rad/mm，测量扭曲率变化时，温度T＝20℃。扭曲率α范围为13.8～14.214rad/mm，每次间隔0.138rad/mm，填充材料的折射率随温度改变，温度T范围为15～30℃，每次间隔5℃。
基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器是最常见的光子晶体光纤结构，结构简单易实现，具有较高的扭曲、温度灵敏度，在机械受力应变、扭曲及温度预警等领域具有较大的潜在应用价值。
本实施例所述的基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器工作波长范围为450～600nm，通过COMSOLMultiphysics仿真计算，图3给出了本实施例中，基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器在固定温度T＝20℃，扭曲率α＝13.8rad/mm时得到的传输损耗特性。由图可知，由扭曲引起的吸收峰在波长555nm处，由定向耦合引起的吸收峰在波长492nm处。由此可知，该结构可实现对扭曲和温度的同时传感监测。
图4表明了当温度T＝20℃时，基于螺旋扭曲的共振曲线会随着扭曲率的增大而向长波方向移动，而基于定向耦合效应的耦合峰位置不变。由内插图可以发现，基于扭曲传感在13.8～14.214rad/mm扭曲率范围内扭曲率与耦合波长满足：λ＝36.23α+55(λ单位为nm，α单位为rad/mm)，即灵敏度为3.623×10-6mm2/rad。图5则表明当扭曲率α＝13.8rad/mm不变时，基于定向耦合的耦合峰位置会随着温度的增加向短波长方向移动，这是因为温度的改变会影响甲苯的折射率，从而影响定向耦合波导模式的有效折射率。由内插图可以发现，基于温度传感在15～30℃温度范围内线性度较好，灵敏度可达2nm/℃。
综上可知，基于扭曲的传感不受温度的影响，基于定向耦合的温度传感不受扭曲率的影响，即这两种传感机理相互不受影响。
本发明提供了基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，实现了对扭曲率和温度的同时测量。对螺旋光子晶体光纤，螺旋结构导致特定波长的波导模能量泄露至所述包层2，表现为纤芯导模的损耗增大，出现损耗峰。通过将高热光系数的液体选择性填充空气孔，当纤芯波导模和填充的波导模式相匹配时，纤芯中的能量会强烈地耦合到填充形成的波导中，表现为狭窄的损耗峰，且这两个损耗峰产生的机理完全不同，可以实现双参数的同时测量。本发明提出的双参数光纤传感器在桥梁、大坝、建筑物、矿井、机械手臂、空间飞行器等领域的监测和预警中具有广阔的应用前景。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，其特征在于，包括芯层、包层和甲苯液体，所述芯层位于光纤的中心轴线上，所述包层内均匀设置六层圆形的空气孔，所述空气孔呈环形阵列分布，所述甲苯液体填充在所述包层自内向外第二层的一个空气孔中。
2.如权利要求1所述的基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，其特征在于，所述芯层和所述包层均采用二氧化硅材料制成，且填充材料采用温敏液体甲苯。
3.如权利要求2所述的基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，其特征在于，所述空气孔的孔间距为3μm，直径为1μm，扭曲率的范围为13.8～14.214rad/mm，每次间隔为0.138rad/mm，所述甲苯液体的折射率随温度改变，温度范围为15～30℃，每次间隔5℃。
4.如权利要求3所述的基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，其特征在于，双参数传感器结构的工作波长范围为450～600nm。
5.如权利要求4所述的基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，其特征在于，双参数传感器还具有由纤芯模和包层模形成的超模，所述超模具有六层对称的单个模式剖面，并且位于所述包层内的空气孔的第三环和第四环之间。
6.如权利要求5所述的基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，其特征在于，双参数传感器的扭曲率范围为13.8～14.214rad/mm，双参数传感器的扭曲传感灵敏度不小于3.623×10-6mm2/rad。
7.如权利要求6所述的基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器，其特征在于，双参数传感器的温度范围为15～30℃，双参数传感器的温度传感灵敏度不小于2nm/℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010280419.2A CN111366081A (zh) | 2020-04-10 | 2020-04-10 | 基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010280419.2A CN111366081A (zh) | 2020-04-10 | 2020-04-10 | 基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111366081A true CN111366081A (zh) | 2020-07-03 |
Family
ID=71205519
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010280419.2A Pending CN111366081A (zh) | 2020-04-10 | 2020-04-10 | 基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111366081A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113959585A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-01-21 | 唐山学院 | 一种基于spr的螺旋光子晶体光纤温度传感器 |
| CN115077737A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-09-20 | 东北大学 | 基于硫化物光纤非线性的温度传感器、测量系统、方法 |
-
2020
- 2020-04-10 CN CN202010280419.2A patent/CN111366081A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113959585A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-01-21 | 唐山学院 | 一种基于spr的螺旋光子晶体光纤温度传感器 |
| CN113959585B (zh) * | 2021-10-25 | 2024-04-19 | 唐山学院 | 一种基于spr的螺旋光子晶体光纤温度传感器 |
| CN115077737A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-09-20 | 东北大学 | 基于硫化物光纤非线性的温度传感器、测量系统、方法 |
| CN115077737B (zh) * | 2022-05-31 | 2024-04-12 | 东北大学 | 基于硫化物光纤非线性的温度传感器、测量系统、方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhao et al. | Relative humidity sensor based on hollow core fiber filled with GQDs-PVA | |
| CN111366081A (zh) | 基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器 | |
| Liu et al. | Evanescent wave analysis and experimental realization of refractive index sensor based on D-shaped plastic optical fiber | |
| CN112505824B (zh) | 两层空气孔结构近似单偏振细径实芯保偏光子晶体光纤 | |
| CN109211838B (zh) | 一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅折射率传感器 | |
| CN107315221B (zh) | 一种两层结构的细径实芯保偏光子晶体光纤 | |
| CN212301270U (zh) | 基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器 | |
| CN102944328B (zh) | 折射率不敏感的温度传感器的制备方法及测量装置 | |
| CN107121726A (zh) | 光纤双参量传感器及其制备方法 | |
| Li et al. | Dual-parameter optical fiber sensor for temperature and humidity based on PMMA-microsphere and FBG composite structure | |
| CN112285060A (zh) | 双芯微结构光纤模间干涉型高灵敏度折射率传感器 | |
| Salman et al. | Sensitivity-enhanced moisture sensor based on θ-shape bending fiber coated with copper-polyvinyl alcohol thin film | |
| Salman et al. | Wide-range and highly sensitive pH sensor based on a figure-eight fiber structure coated with copper/polyvinyl alcohol hydrogel | |
| CN211783309U (zh) | 基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器 | |
| Shen et al. | Review of the status and prospects of fiber optic hydrogen sensing technology | |
| CN111175249B (zh) | 用于低折射率检测的近红外串联pcf-spr传感器 | |
| CN211826596U (zh) | 一种基于spr的提高温度测量精度的装置 | |
| CN210953331U (zh) | 一种新型u形级联长周期光纤光栅传感器 | |
| CN208351041U (zh) | 一种lmr微结构光纤 | |
| CN111024138A (zh) | 一种双参量光纤传感器及其测量方法 | |
| CN103090990A (zh) | 一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法 | |
| CN109752345B (zh) | 一种基于负曲率光子晶体光纤的spr低折射率传感器 | |
| Liu et al. | Ultrahigh sensitivity refractive index sensor based on surface plasmon resonance effect of double-ring hollow-core anti-resonant fiber | |
| CN210719242U (zh) | 一种用于测量海水温盐深的光纤传感器 | |
| Di et al. | Highly sensitive temperature sensor based on a liquid crystal selectively infiltrated two-core photonic crystal fiber |
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 |