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專利名稱：用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法，屬于微型光電子器件設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖光柵傳感器具有靈敏度高、響應速度快、動態(tài)范圍大、抗電磁干擾能力強、超高電絕緣、防燃、防爆、安全性能高、耐腐蝕、材料資源豐富、成本低、體積小、靈巧輕便、使用方便的優(yōu)點(文獻 I.Y.J.Rao, 〃In—fibre Bragg grating sensors.〃 Meas.Sc1.Technol.,1997,8(4): 355-375)。廣泛應用于磁、聲、力、溫度、位移、旋轉(zhuǎn)、加速度、液位、應變、光、電壓、電流、傳像及某些化學量的測量等，應用前景十分廣闊。然而，采用普通光纖光柵作為敏感元件的傳感器存在一些難以克服的缺點，如耦合損耗較大和保偏特性差等，限制了光纖光柵傳感器性能的進一步提高。20世紀90年代中期，英國Bath大學的Knight等人首次研制出一種光子晶體光纖(Photonic crystal fiber, PCF)(文獻
2.J.C.Knight，T.A.Birks，D.M.Atkin and P.St.J.Rusellj "Pure silicasingle-mode fiber with hexagonal photonic crystal cladding.〃 OFCi 96 OpticalFiber Communication, Technical Digest Series 1996，2: CH35901.)，它是基于光子晶體技術(shù)的特殊結(jié)構(gòu)的光纖。通常由單一的石英材料構(gòu)成，在沿光纖長度的方向上均勻排列著光波長量級的空氣孔從而構(gòu)成微結(jié)構(gòu)包層。從光纖端面看，存在二維周期性結(jié)構(gòu)。這種光纖具有許多優(yōu)點，如具有寬帶單模、高非線性、大模場面積、可控色散性等(文獻
3.M.D.Nielsen，J.R.Folkenbergj N.A.Mortensenj A.Bjarklevj "Bandwidthcomparison of photonic crystal fibers and conventional single-mode fibers.〃Opt.Exp.，2004，12(3):430-435.)。結(jié)合傳統(tǒng)的光纖光柵寫制技術(shù)，在纖芯摻鍺的光子晶體光纖(PCF)上，可以寫制出新型的光子晶體光纖光柵(Photonic Crystal FiberBragg Grating, PCFBG)(文獻4.Β.J.Eggletonj P.S.Westbrook, R.S.Windeler.〃Grating resonances in air-silica micro- structured optical fibers.〃 OpticsLetters, 1999，24(21): 1460-1462.)。光子晶體光纖包層中空氣孔的存在改變并且豐富了傳統(tǒng)光纖的模式特性，而光柵從根本上講就是這些模式之間的能量耦合，光子晶體光纖一系列可設(shè)計的優(yōu)良特性使得寫制的光柵將呈現(xiàn)出不同于普通單模光纖光柵的嶄新特性(文獻5.Y.P.Wang, L.M.Xiao, D.N.Wang, and ff.Jin."Highly sensitive long-periodfiber-grating strain sensor with low temperature sensitivity.〃 Optics Letters,2006,31(23):3414-3416.)，如具有良好的穩(wěn)定性，大范圍的寬帶調(diào)諧特性等優(yōu)異的特性，采用光子晶體光纖光柵構(gòu)成的傳感器有望解決傳統(tǒng)光纖光柵難以克服的問題。溫度傳感器和磁場傳感器是生產(chǎn)生活中應用最廣泛的光纖光柵傳感器，而在應用的過程中遇到的一個很大的挑戰(zhàn)就是溫度和磁場的交叉敏感問題(文獻6.肖熙，周曉軍.〃光纖光柵傳感器溫度和應變交叉敏感的研究現(xiàn)狀.〃紅外.2008，29 (3): 7-10.)。怎樣排除傳感數(shù)據(jù)中溫度和磁場的交叉敏感，獲得所需的待測參量成為了光柵傳感研究中的一項重要課題。雙參量同時測量是解決交叉敏感問題的有效方式。科研工作者推出了一系列解決方案，如將兩個傳感元件串聯(lián)起來(文獻7.P.S.Reddy.〃A simple FBG sensor forstrain-temperature discrimination.〃 Microwave and optical technology letters,2011，53(5):1021-1024.)，而這兩個傳感元件的對不同測量參數(shù)的敏感性存在差異。只要事先知道了這兩個傳感元件的傳感特性，在實際應用中通過測量數(shù)據(jù)求解聯(lián)立方程就能夠分別得出兩個待測量。而這種方法由于包括兩個傳感元件的級聯(lián)，傳感探頭的尺寸較大，不能滿足某些特殊場合需要單點測量的要求。葡萄牙學者Hugo F.Lima利用化啁啾光柵作為傳感元件，采用雙參量矩陣法實現(xiàn)了雙參數(shù)的測量(文獻8.F.L.Hug0."Simultaneousmeasurement of strain and temperature with a single fiber bragg grating writtenin a tapered optical fiber, IEEE sensors journal.2010, 10(2): 269-273.)。而這種方法用到特殊的光纖光柵，特殊光纖光柵的制作難度很大，而且光波解調(diào)很困難。光子晶體光纖光柵中空氣孔的存在，為參數(shù)同時測量提供了新的方法。通過在空氣孔中填充敏感的材料，外參數(shù)的變化會引起光子晶體光纖光柵傳輸特性變化，進而可實現(xiàn)外參數(shù)的測量。磁流體是近年來出現(xiàn)的一種新型功能材料，既具有磁性材料的磁性又具有液體的流動性(文獻 9.Y.Zhao, Y.Y.Zhang, R.Q.Lv, Q.Wang, “Noveloptical devices based on the tunable refractive index of magnetic fluid andtheir characteristics.，，Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2011,323(23):2987-2996),其折射率對溫度、磁場的變化比較敏感。本發(fā)明提出將磁流體填充到具有兩個諧振峰(一個是正、反向傳播的基模之間耦合的結(jié)果LPtll，另一個是基模與包層模耦合的結(jié)果LPtl2)的光子晶體光纖光柵的空氣孔中，由于磁流體折射率具有磁場和溫度依賴性，導致隨著外磁場或溫度變化，光子晶體光纖光柵諧振峰的波長會發(fā)生移動，且不同諧振峰對不同參數(shù)變化的敏感度不一致，通過雙波長矩陣法，實現(xiàn)溫度和磁場的同時測量，同時解決了溫度和磁場之間的交叉敏感問題。此外，通過選擇不同物理性質(zhì)的磁流體，可以改變溫度和磁場的測量范圍。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明的目的在于克服了傳統(tǒng)光纖光柵傳感器耦合損耗較大、保偏特性差等缺點，提高傳感器的穩(wěn)定性能和測量靈敏度，解決光纖光柵傳感器的溫度和磁場交叉敏感問題，實現(xiàn)利用一個光柵同時進行溫度和磁場的測量。(二)技術(shù)方案
為了達到上述目的，本發(fā)明提出用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法。該方法是在纖芯摻鍺的光子晶體光纖的纖芯上寫制光柵，然后在光柵外圍的空氣孔中填充磁流體，由于磁流體折射率具有磁場和溫度依賴性，導致當作用到光子晶體光纖光柵上的外磁場或溫度變化時，光子晶體光纖光柵諧振峰的波長會發(fā)生移動，且不同諧振峰對磁場和溫度變化的敏感度不一致，采用雙波長矩陣法，可以實現(xiàn)溫度和磁場的同時測量。上述方案中，所述纖芯摻鍺的光子晶體光纖為四層六角結(jié)構(gòu)，采用毛細管堆積拉絲方法制備而成。具體制造過程是將毛細管、實心摻鍺石英棒和石英套管按照預期設(shè)計的周期性結(jié)構(gòu)堆積并熔合成形，然后經(jīng)過多次拉絲制備光子晶體光纖。
上述方案中，所述的光子晶體光纖光柵結(jié)構(gòu)，是利用相位掩膜法在纖芯摻鍺的光子晶體光纖上寫制，長Z=2cm,周期/^￠:=536)^11^上述方案中，在光子晶體光纖光柵空氣孔中填充的磁流體，選擇濃度為3%的水基Fe3O4磁流體，其熱光系數(shù)為-2.4X 10_4/°C，磁光系數(shù)為4.98X 10_5/0e。通過毛細作用將磁流體填充進入光子晶體光纖光柵中。為了使填充的磁流體能有效作用在光纖光柵區(qū)域，可通過在填充磁流體的光子晶體光纖光柵兩端繞上兩個螺線管，用它使磁流體來回移動，不僅能夠保證磁流體填充的均勻性，更可調(diào)整控制磁流體的填充位置。上述方案中，光子晶體光纖光柵的諧振峰個數(shù)通過光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。空氣孔直徑孔間距/I =IOMm,摻鍺纖芯直徑Oretj=IMm,折射率為/7。。=1.4566,光纖內(nèi)包層直徑t/el=3lMm,光纖外包層直徑D=125Mm,這種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖存在兩種模式，在其上寫制的光柵具有兩個諧振峰。上述方案中，外界環(huán)境溫度變化，是指光子晶體光纖光柵的工作溫度從20°C變化到80°C時，諧振峰LPtll的有效折射率由1.44706變化到1.446355，諧振峰LPtl2的有效折射率由1.444678變化到1.443526。通過計算可得諧振峰LPtll的溫度變化靈敏度為-1.225X 10_2nm/°C，諧振峰 LPtl2 的溫度變化靈敏度為-1.5933 X 10_2 nm/°C。上述方案中，外界磁場發(fā)生變化，是指光子晶體光纖光柵所受磁場由200e增加到3000e時，諧振峰LPtll的有效折射率由1.44632變化到1.446323，諧振峰LPtl2的有效折射率由1.444154變化到1.444474。通過計算可得諧振峰LPtll的磁場變化靈敏度為
1.07143 X IO-5 nm/0e，諧振峰 LP02 的磁場變化靈敏度為 6.17857 X IO-4 nm/Oe。(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
1)利用光子晶體光纖光柵構(gòu)成的傳感器，與傳統(tǒng)光纖光柵傳感器相比，具有良好的穩(wěn)定性，大范圍的寬帶調(diào)諧特性等優(yōu)異的特性，克服了傳統(tǒng)光纖光柵傳感器耦合損耗較大、保偏特性差等缺點，提高了傳感器的穩(wěn)定性能和測量靈敏度；
2)本發(fā)明提出的這種基于磁流體填充的光子晶體光纖光柵磁場和溫度同時檢測方法，解決了磁場和溫度之間的交叉敏感問題，為雙參數(shù)測量提供了新方法；
3)本發(fā)明提出的這種基于磁流體填充的光子晶體光纖光柵磁場和溫度同時檢測方法，實現(xiàn)了單根光纖雙參數(shù)測量，大大地減小了傳感探頭的尺寸，還能滿足某些場合需要單點測量的要求。


以下各圖所取的光子晶體光纖光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及填充磁流體的折射率大小均與具體實施方式
中相同:
圖1為纖芯摻鍺光子晶體光纖光柵結(jié)構(gòu)示意 圖2為纖芯摻鍺光子晶體光纖在xy橫截面上的模場分布 圖3為填充磁流體的光子晶體光纖光柵在室溫、無磁場作用下的反射譜，諧振峰LPtll為基模正、反向傳播耦合結(jié)果；諧振峰LPtl2為基模與包層模耦合結(jié)果；
圖4為光子晶體光纖光 柵諧振峰LPtll, LP02的有效折射率與溫度的關(guān)系；
圖5為光子晶體光纖光柵諧振峰LPtll, LP02的變化量與溫度的關(guān)系；圖6為光子晶體光纖光柵諧振峰LPtll, LP02的有效折射率與磁場的關(guān)系；
圖7為光子晶體光纖光柵諧振峰LPtll, LP02的變化量與磁場的關(guān)系。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及測量過程作進一步的詳細說明。本發(fā)明提出了用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法，如圖1所示為纖芯摻鍺光子晶體光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，空氣孔直徑孔間距/I =IOMm,摻鍺纖芯直徑
折射率為/ 。。=1.4566，熱光系數(shù)為7.5 X 10_6/° C。光纖內(nèi)包層直徑i/el=3lMm，光纖外包層直徑D=125Mm，石英的有效折射率/ si=l.4466，熱光系數(shù)為7.0X 10_6/°C，熱膨脹系數(shù)
5.0X 10_5/°C，在未填充前所有空氣孔的折射率均為1.0。在波長nm的光沿z方向作用下，利用comsol軟件計算得光子晶體光纖的有效模場在Xz橫截面上的分布如圖2所示。可以很明顯的看出，存在兩種有效低階模式，基模和包層模。基模諧振波長和包層模諧振波長的表達式分別為式(I)和式(2):
權(quán)利要求
1.用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法，其特征在于:將磁流體(MF)填充到具有兩個諧振峰(一個是正、反向傳播的基模之間耦合的結(jié)果，另一個是基模與包層模耦合的結(jié)果)的光子晶體光纖光柵(PCFBG)空氣孔中，由于磁流體折射率具有磁場和溫度依賴性，導致隨著外磁場或溫度變化，PCFBG諧振峰的波長會發(fā)生移動，采用雙波長矩陣法，可以實現(xiàn)溫度和磁場的同時測量。
2.如權(quán)利要求1所述的用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法，其特征在于:選取纖芯摻鍺的4層六角空氣孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，空氣孔直徑孔間距/I =IOMm,摻鍺纖芯直徑心=1_，折射率為/ 。。=1.4566，熱光系數(shù)為7.5 X10_6/°C ;光纖內(nèi)包層直徑i/el=3lMm，光纖外包層直徑D=125Mm，硅的有效折射率/ si=L 4466，熱光系數(shù)為7.0X 10_6/°C，熱膨脹系數(shù)5.0X 10_5/°C，在未填充前所有空氣孔的折射率均為1.0 ;在纖芯上寫制長Z=2cm，周期/%；=536|^的光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法，其特征在于:當光子晶體光纖光柵的工作溫度為20°C時，在空氣孔內(nèi)填充折射率為1.3592、濃度為3%的水基Fe3O4磁流體，其熱光系數(shù)為-2.4X 10_4/°C，磁光系數(shù)為4.98X 10_5/0θ ;填充長度與光柵長度相同。
4.如權(quán)利要求3所述的用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法，其特征在于:當光子晶體光纖光柵的工作溫度從20°C變化到80°C時，空氣孔中磁流體、摻鍺纖芯和硅的折射率會隨溫度的變化而變化，空氣孔的大小和間距也會發(fā)生變化，導致光子晶體光纖模式有效折射率發(fā)生變化；另外光柵周期也會隨溫度的變化而變化；進而導致光子晶體光纖光柵的兩個諧振峰波長發(fā)生漂移。
5.如權(quán)利要求3所述的用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法，其特征在于:對光子晶體光纖光柵施加外磁場作用時，由200e增加到3000e，空氣孔中磁流體的折射率會隨磁場的變化而變化，導致光子晶體光纖模式有效折射率發(fā)生變化，進而導致光子晶體光纖光柵的兩個諧 振峰波長發(fā)生漂移。
6.如權(quán)利要求4、5所述的用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法,其特征在于:當外界參數(shù)溫度和磁場同時作用到磁流體填充的光子晶體光纖光柵上，會引起光子晶體光纖光柵的兩個諧振峰波長發(fā)生漂移，且不同諧振峰對不同參數(shù)變化的敏感度不一致，通過雙波長矩陣法，實現(xiàn)溫度和磁場的同時測量。
全文摘要
本發(fā)明提出了用于磁場和溫度同時檢測的光子晶體光纖光柵傳感方法。在具有雙諧振峰(正、反向傳播的基模之間的耦合LP01,基模與包層模的耦合LP02)光子晶體光纖光柵的空氣孔中填充對磁場和溫度敏感的水基Fe3O4磁流體，隨磁場和溫度變化，其諧振峰發(fā)生移動，采用雙波長矩陣法，實現(xiàn)對磁場和溫度同時檢測。仿真結(jié)果表明，溫度在20~80oC變化時，LP01和LP02的溫度變化靈敏度分別為-1.225×10-2nm/oC和--1.5933×10-2nm/oC。磁場在20~300Oe之間變化時，LP01和LP02的磁場變化靈敏度分別為1.07143×10-5nm/Oe和6.17857×10-4nm/Oe。
文檔編號G01D21/02GK103196488SQ201310077758
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者趙勇, 張玉艷 申請人:東北大學