基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器制造技术

本发明专利技术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。

Temperature and strain biparametric sensors based on birefringent photonic crystal fibers

【技术实现步骤摘要】
基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器
本专利技术属于光纤传感器
，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。
技术介绍
光子晶体光纤(PhotonicCrystalfiber)，又称微结构光纤(MicrostructureOpticalFiber)或多孔光纤(Holeyfiber)，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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
的人员更好地理解本专利技术方案，下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。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。实施例二本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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1.50...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩婷婷，左金，高静，石明珠，
申请(专利权)人：天津师范大学，
类型：发明
国别省市：天津,12