[发明专利]一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器

说明书

本发明提出了一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，在光纤包层引入4个十字型分布超大边孔并于内侧镀金纳米薄膜并选择其一填充磁流体，而小空气孔呈正八角形分布于包层，实现高灵敏度任意方向横向应力传感。其测量装置包括光源、横向应力传感器及解调部分。该传感器结合超大边孔与表面等离子体技术，大大提高横向应力传感灵敏度。磁流体填充引起Y偏振基模损耗峰产生双峰，带来新的自由度，实现温度补偿。通过多参数解调及正交分解方法，实现任意方向横向应力的测量。结果显示在横向应力作用下，基模X偏振最大灵敏度为3.4nm/N，Y偏振为4.6nm/N。该传感器结构简单、灵敏度高、紧凑小巧，适用于多领域精确的横向应力测量。

技术领域

本发明涉及一种光学传感方法及传感器，尤其涉及一种基于温度补偿的光子晶体光纤应力传感器。本发明利用大孔光子晶体光纤光谱特性易受外界应力影响的特性，结合磁流体填充及表面等离子共振技术，设计一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，从而对外界应力进行监测。

背景技术

光子晶体光纤（PCF, Photonic Crystal Fibers）由于其特殊的光学特性，吸引了研究人员的广泛关注。随着制造技术的发展与进步，基于PCF的传感器被广泛应用于应变或温度监测的各个方面。然而，许多关于应变传感的研究集中在纵向分量上，横向分量由于受到其不敏感性难以直接测量。随着表面等离子共振（SPR, Surface Plasmon Resonance）技术的发展，将光子晶体光纤与SPR技术结合，可大大提高传感检测的灵敏度。但是由于这种基于光晶体光纤的SPR传感器制造工艺较为复杂，大大限制了PCF-SPR传感器的发展。因此，迫切需要提出并设计一种易于实现的基于光子晶体光纤的SPR横向应力传感器。本发明通过在光纤包层中引入四个超大侧孔，结合SPR技术，设计了一种基于PCF的具有高灵敏度的横向应力传感器。此外，在测量过程中，环境温度会对测量结果产生干扰。为解决温度和横向应力交叉敏感问题，在其中一个大孔中填充对温度敏感的磁流体材料。从而，可以实现一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器。

发明内容

本发明提供了一种基于温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器。该传感器基于光子晶体光纤，利用特殊的超大边孔结构与SPR技术，通过波长依赖的偏振滤波特性实现了对任一方向横向应力的有效检测。另外，通过在其中一个大孔中填充对温度敏感的磁流体材料，应用耦合模理论，有效地减轻温度和横向应力的交叉敏感。具有结构简单，灵敏度高，易于实现等特点。

本发明的技术方案如下：一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：光纤包层内存在4个十字型分布超大边孔(5)，边孔内镀金纳米薄膜(6)，且其一填充磁流体材料(7)；小孔(8)呈正八角形分布于纤芯(9)外侧。

一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：传感器直径为16μm，其长度为5~10cm。其包层中左右两侧4个小空气孔其直径为0.75μm，上下两侧的4个其直径为0.7μm。纤芯直径为0.4μm。4个超大边孔的直径为5μm，在其内侧涂覆金纳米薄膜。上下两侧金纳米薄膜厚度为80nm，左右两侧厚度为50nm，金的折射率由Drude模型给出。上方大边孔内填入水基Fe₃O₄(浓度1.8%)磁流体，其折射率随温度和磁场变化。

其配套传感装置由光源部分(1)、横向应力传感器部分(2)、解调部分(3)组成。光源部分用单模光纤将宽带光源的信号引入横向应力传感器中，横向应力传感器部分用于调制光信号，解调部分采用光谱仪解调输出经传感器调制后的光信号。光源部分所用光纤为第一段单模光纤，横向应力传感器部分所用光纤为经优化设计的光子晶体光纤，解调部分所用光纤为第二段单模光纤。

一种温度补偿的光子晶体光纤横向应力传感器，其特征在于：选择性的单孔磁流体填充使得传感器具有偏振滤波特性，以实现温度补偿的任意方向横向应力传感。其损耗谱会出现三个峰值，基模X偏振态损耗峰出现在1168nm处，Y偏振态不受磁流体影响的损耗峰出现在1218nm处，受磁流体影响的损耗峰出现在1321nm处。