基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器制造技术

本发明专利技术提供一种基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器，该微结构光纤温度传感器的基底材料为二氧化硅，包括纤芯、包层和包层外侧的完美匹配层；纤芯正上方对应的空气孔的内部填充液晶，形成缺陷芯，缺陷芯左右两边为两个直径为d

Liquid crystal micro structure optical fiber temperature sensor based on mode coupling effect

【技术实现步骤摘要】
基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器
本专利技术属于光纤传感
，主要涉及基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器。
技术介绍
目前温度传感器的体积都较大，并且温度检测精度不够高。微结构光纤包层区和纤芯区填充不同的材料，均可使微结构光纤具有不同性能和功能。微结构光纤的主要材料为石英，温度对石英的影响很小，因此要实现微结构光纤的温度传感，就需要选择对温度灵敏的材料与微结构光纤结合。HameedMFO等研究了向列相LC渗透PCF芯内的芯导模与纳米金丝填充形成的表面等离子体模之间的耦合特性，优化结构参数，以达到较高的温度灵敏度。陈海良等通过有限元方法研究了一种新型的偏振分束器，该偏振分束器基于具有液晶调制芯的双芯石英玻璃光子晶体光纤。液晶是一种物理状态，其处于各向同性的液体与固态晶体之间。光入射到液晶后会分为两束光，一束光遵循光的折射定律，即为寻常光，它的折射率记为no，大小与光在晶体中的传播方向无关。另一束光不遵循光的折射定律，称为非常光，其折射率记为ne。液晶分子具有各向异性的物理特性且形状一般呈现为棒状，在一定温度范围内液晶分子按一定规律排列。当温度升到使液晶的取向有序破坏时，即温度达到该物质的清亮点时，该物质就变为各向同性的液体。当温度低于液晶的清亮点时，该物质的光学特性为各向异性。no和ne随着温度的变化而变化。液晶具有特有的光学双折射特性和良好的电磁、温度响应特性，因此对开展相关的科学研究具有应用价值。HoBY等在两段单模光纤之间连接一小段液晶填充的光子晶体光纤，实现了一种温度全光纤马赫-曾德尔干涉仪的制作方法，当温度从25℃升至77℃时，可以得到-1.55nm/℃的波长温度灵敏度。韩婷婷等选择性地将液晶渗透到相邻的两个气孔中，制备了一种具有双折射特性的液晶选择性填充光子晶体光纤，温度从37.5℃变化到55℃，温度变化范围小。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：利用液晶的各项光学性质对外界温度和电场等都十分明显的特点，将液晶与微结构光纤结合，解决传统温度传感器体积大和温度检测精度不够高的问题。为解决上述技术问题，本专利技术本提出一种基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器，该微结构光纤温度传感器的基底材料为二氧化硅，包括纤芯、包层和所述包层外侧的完美匹配层；所述纤芯在所述微结构光纤的中心，由正六边形的第一层空气孔包围的区域形成，纤芯的直径可通过调节第一层空气孔直径间接改变；所述包层为所述纤芯外部的圆形区域，所述包层内有三层六边形空气孔；第一层空气孔的直径为d2；第二层空气孔在第一层空气孔的外侧，在所述第二层空气孔中，所述纤芯正上方对应的空气孔的内部填充液晶，形成缺陷芯，直径为d1，所述缺陷芯左右两边为两个直径为d3的大空气孔，用于降低缺陷芯整体折射率；所述第二层空气孔中的其余空气孔和所述第二层空气孔外侧的第三层空气孔具有相同的直径d4；所述空气孔之间的间距为Λ。优选地，所述缺陷芯的直径为d1＝1.2μm，所述大空气孔的直径d3为2.96μm；所述第一层空气孔的直径为d2＝1.04μm；所述第二层空气孔中的其余空气孔和所述第二层空气孔外侧的第三层空气孔具有相同直径d4为1.2μm；所述空气孔之间的间距Λ为2.8μm。与现有技术相比，本专利技术的效果如下：本专利技术，利用液晶的折射率对温度变化十分敏感，可以通过改变温度来调节液晶折射率的特性，将微结构光纤的一个空气孔填充液晶形成缺陷芯，由于液晶折射率高于基底材料，并且缺陷芯旁边的两个大空气孔可以调节缺陷芯周围的折射率，使得缺陷芯与纤芯更易发生模式耦合，从而使得微结构光纤的缺陷芯模式发生变化，通过优化微结构光纤结构参数来调节缺陷芯与纤芯耦合损耗峰的移动，最终通过耦合损耗峰的移动实现温度的测量。附图说明图1是本专利技术实施例中的微结构光纤横截面图；图2是本专利技术实施例中填充液晶的折射率随温度大小的变化分布图；图3是本专利技术实施例中液晶填充的微结构光纤Y轴的模场耦合分布图；图4是本专利技术实施例中液晶填充的微结构光纤Y轴纤芯和缺陷芯折射率和限制损耗随波长的变化分布图；图5是本专利技术实施例1的在不同温度下d1＝1.0μm时，Y轴纤芯和缺陷芯限制损耗随波长的变化分布图；图6是本专利技术实施例1的在不同温度下d1＝1.0μm时，Y轴温度和共振波长的指数拟合关系的变化分布图；图7是本专利技术实施例1的在不同温度下d1＝1.2μm时，Y轴纤芯和缺陷芯限制损耗随波长的变化分布图；图8是本专利技术实施例1的在不同温度下d1＝1.2μm时，Y轴温度和共振波长的指数拟合关系的变化分布图；图9是本专利技术实施例1的在不同温度下直径d2＝1.04μm时时，Y轴纤芯和缺陷芯限制损耗随波长的变化分布图；图10是本专利技术实施例1的在不同温度下d2＝1.04μm时，Y轴温度和共振波长的指数拟合关系的变化分布图；图11是本专利技术实施例1的在不同温度下直径d2＝1.36μm时时，Y轴纤芯和缺陷芯限制损耗随波长的变化分布图；以及图12是本专利技术实施例1的在不同温度下d2＝1.36μm时，Y轴温度和共振波长的指数拟合关系的变化分布图；附图标号说明：1-液晶芯，2-纤芯，3-完美匹配层，4-基底材料，5-大空气孔，6-第一层空气孔，7-空气孔。具体实施方式以下，参照附图对本专利技术的实施方式进行说明。实施例1在图1所示的本专利技术实施例中的微结构光纤横截面图，该微结构光纤温度传感器的基底材料4为二氧化硅，包括纤芯2、包层和包层外侧的完美匹配层3；纤芯2在微结构光纤的中心，由正六边形的第一层空气包围的区域形成，纤芯2的直径可通过调节第一层空气孔6直径间接改变；包层为纤芯外部的圆形区域，包层内有三层六边形空气孔；第一层空气孔6的直径为d2＝1.04μm；第二层空气孔在第一层空气孔的外侧，在第二层空气孔中，纤芯正上方对应的空气孔的内部填充液晶，形成直径为d1＝1.0μm的缺陷芯，缺陷芯左右两边为两个直径d3为2.96μm的大空气孔5，用于降低缺陷芯整体折射率；第二层空气孔中的其余空气孔和第二层空气孔外侧的第三层空气孔具有相同直径d4为1.2μm；空气孔7之间的间距Λ为2.8μm。微结构光纤MOF中，液晶折射率的变化与电场，磁场和温度有关，本实施例中填充的液晶是在电场为90度时，液晶非寻常折射率随温度的升高而下降，液晶寻常折射率随温度的升高先缓慢下降再上升。本实施例中填充液晶的折射率随温度大小不同的变化分布如图2所示。本实施例中液晶填充的微结构光纤在Y轴的模场耦合分布如图3所示。电场分布在纤芯中形成纤芯模式，在缺陷芯中形成缺陷模式，当满足相位匹配条件时，纤芯模与缺陷芯模发生模式耦合。本专利技术实施例的液晶填充的微结构光纤Y轴纤芯和缺陷芯折射率和限制损耗随波长的变化分布如图4所示。图中4中纤芯和液晶芯1折射率相交处表示相位匹配点，纤芯2和液晶芯1在该点处发生模式耦合效应。实施例2在本实施例中，与实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器，其特征在于，该微结构光纤温度传感器的基底材料为二氧化硅，包括纤芯、包层和所述包层外侧的完美匹配层；所述纤芯在所述微结构光纤的中心，由正六边形的第一层空气孔包围的区域形成；所述包层为所述纤芯外部的圆形区域，所述包层内有三层六边形空气孔；第一层空气孔的直径为d

【技术特征摘要】
1.一种基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器，其特征在于，该微结构光纤温度传感器的基底材料为二氧化硅，包括纤芯、包层和所述包层外侧的完美匹配层；所述纤芯在所述微结构光纤的中心，由正六边形的第一层空气孔包围的区域形成；所述包层为所述纤芯外部的圆形区域，所述包层内有三层六边形空气孔；第一层空气孔的直径为d2；第二层空气孔在第一层空气孔的外侧，在所述第二层空气孔中，所述纤芯正上方对应的空气孔的内部填充液晶，形成缺陷芯，直径为d1，所述缺陷芯左右两边有两个直径为d3的大...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海良，王明月，张文逊，张赢月，马明建，井西利，李曙光，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13