磁流體填充晶體光纖環(huán)鏡下溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)的方法
【專利摘要】磁流體填充晶體光纖環(huán)鏡下溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)的方法，涉及一種微型光電子檢測(cè)的方法，在結(jié)構(gòu)對(duì)稱的光子晶體光纖的空氣孔中選擇性填充磁流體，選取水平方向中心行；光子晶體光纖的雙折射特性隨之改變，構(gòu)成溫度/磁場(chǎng)可調(diào)雙折射光子晶體光纖；用該光纖取代Sagnac環(huán)鏡中的常規(guī)雙折射光纖，相鄰兩諧振谷之間間距和諧振谷漂移量均隨溫度和磁場(chǎng)變化而變化，且變化靈敏度各不相同，據(jù)此根據(jù)雙參數(shù)矩陣法實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)；該方法提高傳感器的穩(wěn)定性能和測(cè)量靈敏度，解決了光纖傳感器的溫度和磁場(chǎng)交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)和利用了一個(gè)光纖同時(shí)進(jìn)行溫度和磁場(chǎng)的測(cè)量。
【專利說明】磁流體填充晶體光纖環(huán)鏡下溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微型光電子檢測(cè)方法，特別是涉及一種磁流體填充晶體光纖環(huán)鏡下溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖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)。光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)的傳感物理量很廣，廣泛應(yīng)用于磁、聲、力、溫度、位移、旋轉(zhuǎn)、力口速度、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，采用普通光纖作為敏感元件的光纖傳感器存在一些難以克服的缺點(diǎn)，如:耦合損耗較大、保偏特性差和存在交叉敏感問題等，限制了光纖傳感器性能的進(jìn)一步提高。20世紀(jì)90年代中期，英國Bath大學(xué)的Knight等人首次研制出一種光子晶體光纖(Photonic crystalfiber, PCF)(文獻(xiàn) 1.J.C.Knight,T.A.Birks,D.M.Atkin and P.St.J.Rusell,〃Pure silica single-mode fiber with hexagonal photonic crystal cladding.〃0FC’96 Optical Fiber Communication, Technical Digest Series 1996， 2:CH3590L )，這種光纖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(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、高非線性、大模場(chǎng)面積、可控色散性等(文獻(xiàn) 2.M.D.Nielsen, J.R.Folkenberg, N.A.Mortensen, A.Bjarklev,"Bandwidth comparison of photonic crystal fibers and conventional single-modefibers.〃 Opt.Exp., 2004, 12 (3): 430-435.)，采用光子晶體光纖構(gòu)成的光纖傳感器有望解決這些問題
溫度傳感器和磁場(chǎng)傳感器是生產(chǎn)生活中應(yīng)用最廣泛的光纖傳感器，而在應(yīng)用的過程中遇到的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)就是溫度和磁場(chǎng)的交叉敏感問題(文獻(xiàn)3.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)參量成為了光纖傳感研究中的一項(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(文獻(xiàn)4.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)5.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。
[0003]光子晶體光纖中空氣孔的存在，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) 6.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)明提出將磁流體選擇性填充到光子晶體光纖的空氣孔中(選取水平方向中心行)，使得光子晶體光纖具有明顯的雙折射特性。由于磁流體折射率具有磁場(chǎng)和溫度依賴性，導(dǎo)致隨著外磁場(chǎng)或溫度變化，光子晶體光纖的雙折射特性發(fā)生變化，結(jié)合光纖環(huán)鏡結(jié)構(gòu)，相鄰兩諧振谷之間間距和諧振谷漂移量均隨溫度和磁場(chǎng)變化而變化，且變化靈敏度各不相同，據(jù)此可根據(jù)雙參數(shù)矩陣法實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)，同時(shí)解決了溫度和磁場(chǎng)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(chǎng)的測(cè)量范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種磁流體填充晶體光纖環(huán)鏡下溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)的方法，該方法提高傳感器的穩(wěn)定性能和測(cè)量靈敏度，解決了光纖傳感器的溫度和磁場(chǎng)交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)和利用了一個(gè)光纖同時(shí)進(jìn)行溫度和磁場(chǎng)的測(cè)量。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
磁流體填充晶體光纖環(huán) 鏡下溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)的方法，所述方法包括在結(jié)構(gòu)對(duì)稱的光子晶體光纖的空氣孔中選擇性填充磁流體，選取水平方向中心行，構(gòu)成溫度/磁場(chǎng)可調(diào)雙折射光子晶體光纖；用該光纖作用Sagnac環(huán)鏡中的常規(guī)雙折射光纖，相鄰兩諧振谷之間間距和諧振谷漂移量均隨溫度和磁場(chǎng)變化而變化，且變化靈敏度各不相同，據(jù)此根據(jù)雙參數(shù)矩陣法實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)；
具體參數(shù)如下:選取七層六角空氣孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，空氣孔直徑右6.間距/1=7.14Mm，光纖內(nèi)包層直徑<1=8.1Mm，光纖外包層直徑D=125Mm，硅的有效折射率/?si=1.4466，熱光系數(shù)為7.0 X 10—7° C，熱膨脹系數(shù)5.0 X 10_5/°C，空氣孔的折射率為1.0 ；溫度為20°C，無磁場(chǎng)作用條件下，光子晶體光纖的水平方向中心行空氣孔內(nèi)填充折射率為1.4318、濃度為1.21%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，填充長度Z=IOcm,用該光纖取代Sagnac環(huán)鏡中的常規(guī)雙折射光纖。
[0006]所述的磁流體填充晶體光纖環(huán)鏡下溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)的方法，所述對(duì)光子晶體光纖施加外磁場(chǎng)作用時(shí)，由200e增加到3000e。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是:
1.利用光子晶體光纖構(gòu)成的傳感器，與傳統(tǒng)光纖傳感器相比，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光子晶體光纖環(huán)鏡溫度和磁場(chǎng)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光子晶體光纖環(huán)鏡溫度和磁場(chǎng)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，還能滿足某些場(chǎng)合需要單點(diǎn)測(cè)量的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為選擇性填充光子晶體光纖結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為光纖環(huán)鏡結(jié)構(gòu)圖；
圖3為選擇性填充光子晶體光纖環(huán)鏡相鄰諧振谷間距變化量Alr與溫度T的關(guān)系；
圖4為選擇性填充光子晶體光纖環(huán)鏡諧振谷漂移量~與溫度T的關(guān)系；
圖5為選擇性填充光子晶體光纖環(huán)鏡諧振谷漂移量Aljfflll與磁場(chǎng)H的關(guān)系；
圖6為選擇性填充光子晶體光纖環(huán)鏡相鄰諧振谷間距變化量Ai11與磁場(chǎng)H的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0010]該方法是在結(jié)構(gòu)對(duì)稱的普通光子晶體光纖的空氣孔中選擇性填充磁流體(選取水平方向中心行)，由于磁流體折射率具有磁場(chǎng)和溫度依賴性，導(dǎo)致當(dāng)作用到光子晶體光纖的外磁場(chǎng)或溫度變化時(shí)，光子晶體光纖的雙折射特性隨之改變，構(gòu)成溫度/磁場(chǎng)可調(diào)雙折射光子晶體光纖。用該光纖取代Sagnac環(huán)鏡中的常規(guī)雙折射光纖，相鄰兩諧振谷之間間距和諧振谷漂移量均隨溫度和磁場(chǎng)變化而變化，且變化靈敏度各不相同，據(jù)此可根據(jù)雙參數(shù)矩陣法實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)。結(jié)構(gòu)對(duì)稱光子晶體光纖空氣孔直徑J=6.14pm，孔間距/1=7.1411111，光纖內(nèi)包層直徑41=8.1Mm,光纖外包層直徑D=125Mm，七層圓空氣柱在石英(折射率/?si=l.4466，熱光系數(shù)a si=7.0X 10_6/°C)襯底上按三角形排列出周期性結(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)過多次拉絲制備光子晶體光纖。在光子晶體光纖空氣孔中填充的磁流體，選擇濃度為1.21%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。選擇性填充，采用直接手動(dòng)粘接技術(shù)。制作過程如下:首先，將單模光纖(SMF)進(jìn)行研磨，形成平坦的端面，蘸上UV膠。然后借助于三軸平移臺(tái)和顯微鏡，將蘸UV膠的光纖端放在不需要填充的空氣孔的位置，通過毛細(xì)作用，UV膠填充到相應(yīng)的空氣孔中。將填充好UV膠的光子晶體光纖用UV光照射幾分鐘，UV膠固化，將直到不需要填充的空氣孔堵塞。然后采用全填充的方法完成光子晶體光纖的選擇性填充。最后切割掉填充UV膠的部分，得到所需要的選擇性填充的光子晶體光纖。由于磁流體具有磁性，可通過在填充磁流體的光子晶體光纖兩端繞上兩個(gè)螺線管，使磁流體來回移動(dòng)，這樣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。光纖環(huán)鏡是指在閉合光纖環(huán)中熔接IOcm長選擇性填充磁流體的光子晶體光纖，當(dāng)光經(jīng)過該光纖時(shí)，一束光分為偏振方向不同的兩束光，這兩束光產(chǎn)生光程差，回到耦合器時(shí)發(fā)生干涉，便形成了基于Sagnac效應(yīng)的光纖環(huán)鏡(Fiber Loop Mirror)。外界環(huán)境溫度變化,是指無磁場(chǎng)作用下，工作溫度從20°C變化到80°C時(shí)，光子晶體光纖的雙折射A由0.000957減小到0.000469，相鄰兩諧振谷之間間距AJr隨溫度變化靈敏度為0.86757nm/°C，諧振谷漂移量~隨
溫度變化靈敏度為-12.92nm/°C。外界磁場(chǎng)發(fā)生變化，是指室溫條件下(r=2(TC )，磁場(chǎng)由200e增加到3000e時(shí)，光子晶體光纖的雙折射A由0.00036增加到0.000621，相鄰兩諧振谷之間間距~隨磁場(chǎng)變化靈敏度為-0.19959nm/Oe,諧振谷漂移量隨磁
場(chǎng)變化靈敏度&._為2.1892nm/Oe。
[0011]圖1所示為選擇性填充磁流體光子晶體光纖結(jié)構(gòu)示意圖。[0012]在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，空氣孔直徑(6/=6.14 ii m,孔間距A =7.14 ii m,光纖內(nèi)包層直徑心=8.1Mm,光纖外包層直徑爐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，空氣孔的折射率為1.0，磁流體選擇濃度為
1.21%的水基Fe3O4磁流體，溫度無磁場(chǎng)作用下，其折射率為1.4318，其熱光系數(shù)為-2.4X10_4/°C，磁光系數(shù)為4.98X10_5/0e。填充長度Z約IOcm0
[0013]將選擇性填充磁流體光子晶體光纖兩端與普通光纖進(jìn)行熔接，構(gòu)成光纖環(huán)鏡，如圖2所示。ASE光源發(fā)出的1550nm的光經(jīng)過全光纖定向2X2熔融型3dB耦合器，光被分成兩路，同時(shí)進(jìn)入光纖環(huán)鏡。當(dāng)光經(jīng)過選擇性填充磁流體光子晶體光纖時(shí)，一束光分為偏振方向不同的兩束光，這兩束光產(chǎn)生光程差，回到耦合器時(shí)發(fā)生干涉，便形成了基于Sagnac效應(yīng)的光纖環(huán)鏡。相位差由下式給出:
9 =2 31 BL / A(I)
其中A為光子晶體光纖的雙折射，Z為光子晶體光纖的長度，A為入射光波長。
[0014]忽略耦合器的插入損耗、光子晶體光纖和單模光纖的衰減，該光纖環(huán)鏡在外界溫度作用下，因?yàn)闇囟茸儞Q范圍不大情況下，石英和磁流體的熱膨脹系數(shù)非常小，可忽略他們對(duì)Z的影響，則光纖環(huán)境的透射譜可近似表示為:
【權(quán)利要求】
1.磁流體填充晶體光纖環(huán)鏡下溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)的方法，其特征在于，所述方法包括在結(jié)構(gòu)對(duì)稱的光子晶體光纖的空氣孔中選擇性填充磁流體，選取水平方向中心行，構(gòu)成溫度/磁場(chǎng)可調(diào)雙折射光子晶體光纖；用該光纖作用Sagnac環(huán)鏡中的常規(guī)雙折射光纖，相鄰兩諧振谷之間間距和諧振谷漂移量均隨溫度和磁場(chǎng)變化而變化，且變化靈敏度各不相同，據(jù)此根據(jù)雙參數(shù)矩陣法實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)； 具體參數(shù)如下:選取七層六角空氣孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，空氣孔直徑右6.間距/1=7.14Mm，光纖內(nèi)包層直徑<1=8.1Mm，光纖外包層直徑D=125Mm，硅的有效折射率/?si=1.4466，熱光系數(shù)為7.0 X 10—7° C，熱膨脹系數(shù)5.0 X 10_5/°C，空氣孔的折射率為1.0 ； 溫度為20°C，無磁場(chǎng)作用條件下，光子晶體光纖的水平方向中心行空氣孔內(nèi)填充折射率為1.4318、濃度為1.21%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，填充長度Z=IOcm,用該光纖取代Sagnac環(huán)鏡中的常規(guī)雙折射光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流體填充晶體光纖環(huán)鏡下溫度和磁場(chǎng)同時(shí)檢測(cè)的方法，其特征在于，所述對(duì)光子晶體光纖施加外磁場(chǎng)作用時(shí)，由200e增加到3000e。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK103616046SQ201310602783
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】張玉艷, 陳陽春, 趙琰, 張小輝, 高琳琳, 馬陽, 高慶忠, 林盛, 于洪濤, 王德君 申請(qǐng)人:沈陽工程學(xué)院