[发明专利]基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器

说明书

本发明公开了一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，包括双折射光子晶体光纤、四端口光耦合器和偏振控制器，所述的双折射光子晶体光纤为折射率引导型微结构光纤，其纯石英基底上设置有多层空气孔，通过缺失一个空气孔构成用以导光的纤芯，纤芯周围一圈空气孔中两个相邻的空气孔中选择性填充入液晶材料，所述的液晶材料的n₀大于纯石英基底的折射率，n₀为偏振方向与液晶光轴方向相垂直时所测得的折射率。通过选择性填充液晶材料，实现了群双折射非线性、非单调变化的双折射光纤。

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器。

背景技术

光子晶体光纤(Photonic Crystal fiber)，又称微结构光纤(MicrostructureOptical Fiber)或多孔光纤(Holey fiber)，是近年来迅速发展起来的一种具有较高科研价值和广阔市场应用前景的新型光纤，其沿光纤轴向按照一定规律分布着延伸的空气孔。微结构光纤根据导光机理的不同可分为两种：折射率引导型微结构光纤和光子带隙型微结构光纤。前者与传统光纤的导光机制类似，纤芯折射率高于周围由空气孔组成的包层有效折射率，光被约束在纤芯中传输；而光子带隙型微结构光纤的包层具有周期性的折射率分布，通过光子带隙效应将光限制在低折射率的纤芯缺陷中传导。

光子晶体光纤(PCF)以其独特的性能，如无截止单模、高双折射、色散可控在结构性和技术性方面占有很大的优势。由于光子晶体光纤的灵活性较强、易于调控光学性质、机械性能较好，因此在新型光学器件和光学传感器上发挥了极大的作用。除此之外，光子晶体光纤的空气孔为活性功能材料的填充提供了便利性。其中，液晶(LC)材料是一种具有液体和晶体共同特性的优良物质，表现出一些独特的性质，如各向异性特性、高的热光系数和电光效应等。因此，基于液晶填充的光子晶体光纤在检测温度、电场、磁场、X射线、非线性应用等方面有很大的应用潜力。

上述现有技术存在以下缺点；

现有的光纤传感器对应变敏感度差，温度交叉敏感大，不适应对应变大小的测量，尤其是同时考虑温度和应变时，温度和应变感应不能区分。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，其具有温度和应力双敏感性，温度灵敏度可达-41nm/℃，应变灵敏度可达24pm/με以上的双参量传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于双折射光子晶体光纤的温度和应变双参量传感器，包括双折射光子晶体光纤、四端口光耦合器和偏振控制器，所述的双折射光子晶体光纤为折射率引导型微结构光纤，其纯石英基底上设置有多层空气孔，通过缺失一个空气孔构成用以导光的纤芯，纤芯周围一圈空气孔中两个相邻的空气孔中选择性填充入液晶材料，所述的液晶材料的n₀大于纯石英基底的折射率，n₀为偏振方向与液晶光轴方向相垂直时所测得的折射率。

在上述技术方案中，所述的纯石英基底上按三角形栅格规律排布了五层空气孔。

在上述技术方案中，所述的空气孔直径和孔距分别为3.6μm和5.9μm。

在上述技术方案中，作为基底材料的二氧化硅的折射率在1550nm处为1.444，所述的液晶材料的n₀大于純石英基底折射率。

在上述技术方案中，所述的液晶材料的n₀为1.5071，n_e为1.6849，n_e为偏振方向与液晶光轴方向相平行时所测得的折射率，填充后的光纤出现光子带隙效应，在波长1311nm至1657nm出现光子带隙。

在上述技术方案中，所述的光子晶体光纤直径为125微米，所述的双折射光子晶体光纤长度10-20cm。