基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器制造技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

Two parameter sensor based on selective filling of spiral photonic crystal fiber

【技术实现步骤摘要】
基于螺旋光子晶体光纤选择性填充的双参数传感器
本专利技术涉及光纤传感
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。<br>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/℃。本专利技术的有益效果为：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专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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专利技术的实施例，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，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。此外，在本专利技术的描述中，“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，本专利技术提供一种技术方案：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＝ξ3α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450～6本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍铁生，杨丹，张慧仙，刘智慧，杨祖宁，王学玉，曹卫平，王宜颖，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45