[发明专利]基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器

说明书

本发明提供一种基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器，该微结构光纤温度传感器的基底材料为二氧化硅，包括纤芯、包层和包层外侧的完美匹配层；纤芯正上方对应的空气孔的内部填充液晶，形成缺陷芯，缺陷芯左右两边为两个直径为d₃的大空气孔。由于液晶折射率高于基底材料，并且缺陷芯旁边的两个大空气孔可以调节缺陷芯周围的折射率，使得缺陷芯与纤芯更易发生模式耦合，从而使得微结构光纤的缺陷芯模式发生变化，通过优化微结构光纤结构参数来调节缺陷芯与纤芯耦合损耗峰的移动，最终通过耦合损耗峰的移动实现温度的测量。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，主要涉及基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器。

背景技术

目前温度传感器的体积都较大，并且温度检测精度不够高。

微结构光纤包层区和纤芯区填充不同的材料，均可使微结构光纤具有不同性能和功能。微结构光纤的主要材料为石英，温度对石英的影响很小，因此要实现微结构光纤的温度传感，就需要选择对温度灵敏的材料与微结构光纤结合。Hameed M F O等研究了向列相LC渗透PCF芯内的芯导模与纳米金丝填充形成的表面等离子体模之间的耦合特性，优化结构参数，以达到较高的温度灵敏度。陈海良等通过有限元方法研究了一种新型的偏振分束器，该偏振分束器基于具有液晶调制芯的双芯石英玻璃光子晶体光纤。

液晶是一种物理状态，其处于各向同性的液体与固态晶体之间。光入射到液晶后会分为两束光，一束光遵循光的折射定律，即为寻常光，它的折射率记为n_o，大小与光在晶体中的传播方向无关。另一束光不遵循光的折射定律，称为非常光，其折射率记为n_e。液晶分子具有各向异性的物理特性且形状一般呈现为棒状，在一定温度范围内液晶分子按一定规律排列。当温度升到使液晶的取向有序破坏时，即温度达到该物质的清亮点时，该物质就变为各向同性的液体。当温度低于液晶的清亮点时，该物质的光学特性为各向异性。n_o和n_e随着温度的变化而变化。

液晶具有特有的光学双折射特性和良好的电磁、温度响应特性，因此对开展相关的科学研究具有应用价值。Ho B Y等在两段单模光纤之间连接一小段液晶填充的光子晶体光纤，实现了一种温度全光纤马赫-曾德尔干涉仪的制作方法，当温度从25℃升至77℃时，可以得到-1.55nm/℃的波长温度灵敏度。韩婷婷等选择性地将液晶渗透到相邻的两个气孔中，制备了一种具有双折射特性的液晶选择性填充光子晶体光纤，温度从37.5℃变化到55℃，温度变化范围小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：利用液晶的各项光学性质对外界温度和电场等都十分明显的特点，将液晶与微结构光纤结合，解决传统温度传感器体积大和温度检测精度不够高的问题。

为解决上述技术问题，本发明本提出一种基于模式耦合效应的液晶微结构光纤温度传感器，该微结构光纤温度传感器的基底材料为二氧化硅，包括纤芯、包层和所述包层外侧的完美匹配层；所述纤芯在所述微结构光纤的中心，由正六边形的第一层空气孔包围的区域形成，纤芯的直径可通过调节第一层空气孔直径间接改变；所述包层为所述纤芯外部的圆形区域，所述包层内有三层六边形空气孔；第一层空气孔的直径为d₂；第二层空气孔在第一层空气孔的外侧，在所述第二层空气孔中，所述纤芯正上方对应的空气孔的内部填充液晶，形成缺陷芯，直径为d₁，所述缺陷芯左右两边为两个直径为d₃的大空气孔，用于降低缺陷芯整体折射率；所述第二层空气孔中的其余空气孔和所述第二层空气孔外侧的第三层空气孔具有相同的直径d₄；所述空气孔之间的间距为Λ。