CN113776696A - 一种基于七芯光子晶体光纤温度灵敏度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于七芯光子晶体光纤温度灵敏度测试方法。本发明首先利用有限元法计算七芯光子晶体光纤随温度变化的理论灵敏度，通过不断调整七芯光子晶体光纤的长度，使得理论灵敏度达到最高。然后将七芯光子晶体两端与单模光纤熔接，构成传感器头；一端的单模光纤与宽带光源光连接，另一端的单模光纤与光谱仪光连接，将所述的传感器头置于热源中。最后改变热源的温度，在选定的温度点记录光谱透射谱线图；选取其中的一组波谷，并获得不同温度点对应的波谷波长，对波谷波长与不同的温度点进行线性拟合，线性拟合后的斜率即为实际的七芯光子晶体光纤灵敏度。本发明通过模拟与实验结合去研究七芯光子晶体的温度传感特性，具有很大的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及温度检测领域，尤其是涉及一种基于七芯光子晶体光纤温度灵敏度测试方法。
背景技术
温度是海洋环境监测、生物制药业、食品检测、医药和化学工业等领域的重要参量，市场上传统的电学温度传感器由于检测精度低、响应时间长、抗干扰能力弱以及热敏电阻本身受温度影响较大等问题导致其应用环境和应用前景受到很大的限制。光纤不受电磁场影响，传感性能稳定，拥有更高的测量精度和更快的响应时间，被广泛应用在各个领域和一些极限环境中。
七芯光子晶体光纤(Seven-core Photonic Crystal Fiber，SCPCF)在一根光子晶体里有7个纤芯，这7个纤芯通过引入缺陷形成，即在光子晶体里减少若干个空气孔。相对于单芯光子晶体，SCPCF的纤芯多，有着其极高的设计灵活性，较少的热致光束畸变和较大的有效模式面积，使得有可能开发出适用于各种应用的新型光学器件。且由于其模场面积大，损耗降低，输出光波质量高，在温度传感方面性能更优于单芯光子晶体。
然而，目前利用七芯光子晶体作为温度传感器特性研究的特别少，且都是利用数值仿真软件。例如，Min Liu等人在《Seven-core photonic liquid crystal fibers forsimultaneous mode shaping and temperature sensing》中提出利用有限元法将液晶填入SCPCF中进行温度模拟实验的测量，研究发现被液晶渗透纤芯的模式强度，有效模式面积，波导色散和限制损耗与温度有关。这是首次研究了SCPCF作为温度传感器特性研究但仅限于模拟软件。
发明内容
本发明旨在提供一种理论与实验结合的方法，深入探究七芯光子晶体光纤的温度传感特性，寻找最优的七芯光子晶体长度，以解决现有的光子晶体测温度灵敏度低的问题。
本发明的方法具体是：
步骤一、利用有限元法计算七芯光子晶体光纤随温度变化的理论灵敏度，通过不断调整七芯光子晶体光纤的长度，使得理论灵敏度达到最高。
步骤二、将七芯光子晶体两端与单模光纤熔接，构成传感器头；一端的单模光纤与宽带光源光连接，另一端的单模光纤与光谱仪光连接，构成温度传感装置，将所述的传感器头置于热源中。
步骤三、改变热源的温度，在选定的温度点记录光谱透射谱线图；选取其中的一组波谷，并获得不同温度点对应的波谷波长，对波谷波长与不同的温度点进行线性拟合，线性拟合后的斜率即为实际的七芯光子晶体光纤灵敏度。
与现有的单芯光子晶体测温度方法相比，本发明具有以下有益效果：
一、七芯光子晶体模场面积大，损耗降低，输出光波质量高，将其作为温度传感在性能更优于单芯光子晶体。
二、七芯光子晶体光纤纤芯多，有着其极高的设计灵活性，较少的热致光束畸变和较大的有效模式面积，使得有可能开发出适用于各种应用的新型光学器件。
三、首次通过模拟与实验结合去研究七芯光子晶体的温度传感特性，具有很大的参考价值。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对发明的限制。在附图中：
图1是七芯光子晶体端面图；
图2是温度传感装置示意图；
图3是不同温度的干涉谱线图；
图4是不同温度干涉谱线的局部放大图；
图5是波长与温度的关系图；
图中：图1中d为七芯光子晶体空气孔的直径，r为两空气孔之间的间距，R为纤芯的直径。图2中ASE为宽带光源，OSA为光谱仪，SMF为单模光纤，SCPCF为七芯光子晶体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点叙述更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细说明。
本实施例包括以下步骤：
如图1所示，利用COMSOL软件构建七芯光子晶体端面几何结构图，并利用电磁波与固体力学中热膨胀模块结合进行模拟计算，结合模式分析找到七芯光子晶体的基模与高阶模的有效折射率差，通过改变温度，找到七芯光子晶体基模与高阶模有效折射率差与温度之间的关系，再通过下式算出波谷波长，通过波谷波长与温度的比值得到理论的灵敏度。
其中，
为七芯光子晶体中的纤芯有效折射率，
为七芯光子晶体中的包层有效折射率，L为七芯光子晶体的长度，λdip为波谷波长，N＝0,1,2...，。
七芯光子晶体的长度对灵敏度有很大的影响，长度过长或者过短都会对传感器有一定的损耗，造成灵敏度的变化。在COMSOL软件中，通过改变七芯光子晶体的长度设置值，再次进行上述的模拟计算，根据上述的公式，算出此时长度的灵敏度值，不断地改变长度设置值，比较灵敏度，寻找最高的灵敏度，此时其长度就为最优长度。
上述的七芯光子晶体光纤是纤芯直径R＝4.3μm，孔径r＝3.6μm，孔间距d＝4.3μm，包层直径为125μm，有7个纤芯，空气孔呈正六边形排列的光子晶体光纤。
如图2所示，将熔接好的SMF-SCPCF-SMF传感头放入盛有热水的烧杯中，其中一头的单模光纤接ASE，另一头接OSA，构成温度传感装置。随着烧杯中热水的温度下降，每隔10℃记录一次温度的改变的光谱透射谱线图，如图3所示。选取图3的一组波谷作为研究对象，如图4所示。读取不同温度的波谷波长，进行数据处理，画出波谷波长与温度的关系图，如图5所示，算出斜率k＝Δλ/ΔT，就是实际的灵敏度。
上述的SMF-SCPCF-SMF传感头主要是两段单模之间级联一段七芯光子晶体光纤的传感结构。
上述的COMSOL软件是基于有限元法的一种仿真软件，计算精准，快速。
上述的光源的中心波长为1550nm。
上述的光谱仪是用来呈现该传感结构的透射谱线图，扫描波长设置为1520nm-1610nm。
上述的热水的初始温度是100℃。
综上，本发明利用理论与实验结合的方法不仅能解决现有光子晶体测温度灵敏度低，性能差等问题，还达到了利用该方法制作测温度线性度高，稳定性强的传感器等特点，在海洋环境监测，生物制药业，食品检测等领域上具有良好的应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于七芯光子晶体光纤温度灵敏度测试方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、利用有限元法计算七芯光子晶体光纤随温度变化的理论灵敏度，通过不断调整七芯光子晶体光纤的长度，使得理论灵敏度达到最高；
步骤二、将七芯光子晶体两端与单模光纤熔接，构成传感器头；一端的单模光纤与宽带光源光连接，另一端的单模光纤与光谱仪光连接，构成温度传感装置，将所述的传感器头置于热源中；
步骤三、改变热源的温度，在选定的温度点记录光谱透射谱线图；选取其中的一组波谷，并获得不同温度点对应的波谷波长，对波谷波长与不同的温度点进行线性拟合，线性拟合后的斜率即为实际的七芯光子晶体光纤灵敏度。
2.根据权利要求1所述的一种基于七芯光子晶体光纤温度灵敏度测试方法，其特征在于：所述的光谱仪扫描波长设置为1520nm-1610nm，光源的中心波长为1550nm。
3.根据权利要求2所述的一种基于七芯光子晶体光纤温度灵敏度测试方法，其特征在于：所述的热源为热水，其初始温度为100℃，采用自然降温方式。
4.根据权利要求3所述的一种基于七芯光子晶体光纤温度灵敏度测试方法，其特征在于：所选定的温度点为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种基于七芯光子晶体光纤温度灵敏度测试方法，其特征在于：采用COMSOL软件进行计算。
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