專(zhuān)利名稱(chēng)：用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)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(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)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(jì)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(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾能力強(qiáng)、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(diǎn)(文獻(xiàn) I.Y.J.Rao, 〃In—fibre Bragg grating sensors.〃 Meas.Sc1.Technol.,1997,8(4): 355-375)。廣泛應(yīng)用于磁、聲、力、溫度、位移、旋轉(zhuǎn)、加速度、液位、應(yīng)變、光、電壓、電流、傳像及某些化學(xué)量的測(cè)量等，應(yīng)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(diǎn)，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(jìn)一步提高。20世紀(jì)90年代中期，英國(guó)Bath大學(xué)的Knight等人首次研制出一種光子晶體光纖(Photonic crystal fiber, PCF)(文獻(xiàn)
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(zhǎng)度的方向上均勻排列著光波長(zhǎng)量級(jí)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(diǎn)，如具有寬帶單模、高非線(xiàn)性、大模場(chǎng)面積、可控色散性等(文獻(xiàn)
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(xiě)制技術(shù)，在纖芯摻鍺的光子晶體光纖(PCF)上，可以寫(xiě)制出新型的光子晶體光纖光柵(Photonic Crystal FiberBragg Grating, PCFBG)(文獻(xiàn)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(jì)的優(yōu)良特性使得寫(xiě)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(xiàn)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(wèn)題。溫度傳感器和磁場(chǎng)傳感器是生產(chǎn)生活中應(yīng)用最廣泛的光纖光柵傳感器，而在應(yīng)用的過(guò)程中遇到的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)就是溫度和磁場(chǎng)的交叉敏感問(wèn)題(文獻(xiàn)6.肖熙，周曉軍.〃光纖光柵傳感器溫度和應(yīng)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(chǎng)的交叉敏感，獲得所需的待測(cè)參量成為了光柵傳感研究中的一項(xiàng)重要課題。雙參量同時(shí)測(cè)量是解決交叉敏感問(wèn)題的有效方式?？蒲泄ぷ髡咄瞥隽艘幌盗薪鉀Q方案，如將兩個(gè)傳感元件串聯(lián)起來(lái)(文獻(xiàn)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(gè)傳感元件的對(duì)不同測(cè)量參數(shù)的敏感性存在差異。只要事先知道了這兩個(gè)傳感元件的傳感特性，在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)求解聯(lián)立方程就能夠分別得出兩個(gè)待測(cè)量。而這種方法由于包括兩個(gè)傳感元件的級(jí)聯(lián)，傳感探頭的尺寸較大，不能滿(mǎn)足某些特殊場(chǎng)合需要單點(diǎn)測(cè)量的要求。葡萄牙學(xué)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(shí)現(xiàn)了雙參數(shù)的測(cè)量(文獻(xiàn)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(shí)測(cè)量提供了新的方法。通過(guò)在空氣孔中填充敏感的材料，外參數(shù)的變化會(huì)引起光子晶體光纖光柵傳輸特性變化，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)外參數(shù)的測(cè)量。磁流體是近年來(lái)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(dòng)性(文獻(xiàn) 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(duì)溫度、磁場(chǎng)的變化比較敏感。本發(fā)明提出將磁流體填充到具有兩個(gè)諧振峰(一個(gè)是正、反向傳播的基模之間耦合的結(jié)果LPtll，另一個(gè)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(chǎng)和溫度依賴(lài)性，導(dǎo)致隨著外磁場(chǎng)或溫度變化，光子晶體光纖光柵諧振峰的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，且不同諧振峰對(duì)不同參數(shù)變化的敏感度不一致，通過(guò)雙波長(zhǎng)矩陣法，實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)的同時(shí)測(cè)量，同時(shí)解決了溫度和磁場(chǎng)之間的交叉敏感問(wèn)題。此外，通過(guò)選擇不同物理性質(zhì)的磁流體，可以改變溫度和磁場(chǎng)的測(cè)量范圍。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)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(diǎn)，提高傳感器的穩(wěn)定性能和測(cè)量靈敏度，解決光纖光柵傳感器的溫度和磁場(chǎng)交叉敏感問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)利用一個(gè)光柵同時(shí)進(jìn)行溫度和磁場(chǎng)的測(cè)量。(二)技術(shù)方案
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)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(xiě)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(chǎng)和溫度依賴(lài)性，導(dǎo)致當(dāng)作用到光子晶體光纖光柵上的外磁場(chǎng)或溫度變化時(shí)，光子晶體光纖光柵諧振峰的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，且不同諧振峰對(duì)磁場(chǎng)和溫度變化的敏感度不一致，采用雙波長(zhǎng)矩陣法，可以實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)的同時(shí)測(cè)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(xì)管堆積拉絲方法制備而成。具體制造過(guò)程是將毛細(xì)管、實(shí)心摻鍺石英棒和石英套管按照預(yù)期設(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu)堆積并熔合成形，然后經(jīng)過(guò)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(xiě)制，長(zhǎng)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(guò)毛細(xì)作用將磁流體填充進(jìn)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(guò)在填充磁流體的光子晶體光纖光柵兩端繞上兩個(gè)螺線(xiàn)管，用它使磁流體來(lái)回移動(dòng)，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(gè)數(shù)通過(guò)光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定?？諝饪字睆娇组g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(xiě)制的光柵具有兩個(gè)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(shí)，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(guò)計(jì)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(chǎng)發(fā)生變化，是指光子晶體光纖光柵所受磁場(chǎng)由200e增加到3000e時(shí)，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(guò)計(jì)算可得諧振峰LPtll的磁場(chǎng)變化靈敏度為
1.07143 X IO-5 nm/0e，諧振峰 LP02 的磁場(chǎng)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(diǎn)，提高了傳感器的穩(wěn)定性能和測(cè)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(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)方法，解決了磁場(chǎng)和溫度之間的交叉敏感問(wèn)題，為雙參數(shù)測(cè)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(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了單根光纖雙參數(shù)測(cè)量，大大地減小了傳感探頭的尺寸，還能滿(mǎn)足某些場(chǎng)合需要單點(diǎn)測(cè)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(shí)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(chǎng)分布 圖3為填充磁流體的光子晶體光纖光柵在室溫、無(wú)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及測(cè)量過(guò)程作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提出了用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)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(zhǎng)nm的光沿z方向作用下，利用comsol軟件計(jì)算得光子晶體光纖的有效模場(chǎng)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?；ＶC振波長(zhǎng)和包層模諧振波長(zhǎng)的表達(dá)式分別為式(I)和式(2):
權(quán)利要求
1.用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)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(gè)諧振峰(一個(gè)是正、反向傳播的基模之間耦合的結(jié)果，另一個(gè)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(chǎng)和溫度依賴(lài)性，導(dǎo)致隨著外磁場(chǎng)或溫度變化，PCFBG諧振峰的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，采用雙波長(zhǎng)矩陣法，可以實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)的同時(shí)測(cè)量。
2.如權(quán)利要求1所述的用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)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(xiě)制長(zhǎng)Z=2cm，周期/%；=536|^的光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)的光子晶體光纖光柵傳感方法，其特征在于:當(dāng)光子晶體光纖光柵的工作溫度為20°C時(shí)，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(zhǎng)度與光柵長(zhǎng)度相同。
4.如權(quán)利要求3所述的用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)的光子晶體光纖光柵傳感方法，其特征在于:當(dāng)光子晶體光纖光柵的工作溫度從20°C變化到80°C時(shí)，空氣孔中磁流體、摻鍺纖芯和硅的折射率會(huì)隨溫度的變化而變化，空氣孔的大小和間距也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)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(huì)隨溫度的變化而變化；進(jìn)而導(dǎo)致光子晶體光纖光柵的兩個(gè)諧振峰波長(zhǎng)發(fā)生漂移。
5.如權(quán)利要求3所述的用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)的光子晶體光纖光柵傳感方法，其特征在于:對(duì)光子晶體光纖光柵施加外磁場(chǎng)作用時(shí)，由200e增加到3000e，空氣孔中磁流體的折射率會(huì)隨磁場(chǎng)的變化而變化，導(dǎo)致光子晶體光纖模式有效折射率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致光子晶體光纖光柵的兩個(gè)諧 振峰波長(zhǎng)發(fā)生漂移。
6.如權(quán)利要求4、5所述的用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)的光子晶體光纖光柵傳感方法,其特征在于:當(dāng)外界參數(shù)溫度和磁場(chǎng)同時(shí)作用到磁流體填充的光子晶體光纖光柵上，會(huì)引起光子晶體光纖光柵的兩個(gè)諧振峰波長(zhǎng)發(fā)生漂移，且不同諧振峰對(duì)不同參數(shù)變化的敏感度不一致，通過(guò)雙波長(zhǎng)矩陣法，實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)的同時(shí)測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明提出了用于磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)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(duì)磁場(chǎng)和溫度敏感的水基Fe3O4磁流體，隨磁場(chǎng)和溫度變化，其諧振峰發(fā)生移動(dòng)，采用雙波長(zhǎng)矩陣法，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)和溫度同時(shí)檢測(cè)。仿真結(jié)果表明，溫度在20~80oC變化時(shí)，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(chǎng)在20~300Oe之間變化時(shí)，LP01和LP02的磁場(chǎng)變化靈敏度分別為1.07143×10-5nm/Oe和6.17857×10-4nm/Oe。
文檔編號(hào)G01D21/02GK103196488SQ201310077758
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)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(qǐng)人:東北大學(xué)