专利名称：用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法
技术领域：
本发明涉及用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法，属于微型光电子器件设计技术领域。
背景技术：
光纤光栅传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、防燃、防爆、安全性能高、耐腐蚀、材料资源丰富、成本低、体积小、灵巧轻便、使用方便的优点(文献 I.Y.J.Rao, 〃In—fibre Bragg grating sensors.〃 Meas.Sc1.Technol.,1997,8(4): 355-375)。广泛应用于磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、应变、光、电压、电流、传像及某些化学量的测量等，应用前景十分广阔。然而，采用普通光纤光栅作为敏感元件的传感器存在一些难以克服的缺点，如耦合损耗较大和保偏特性差等，限制了光纤光栅传感器性能的进一步提高。20世纪90年代中期，英国Bath大学的Knight等人首次研制出一种光子晶体光纤(Photonic crystal fiber, PCF)(文献
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.)，它是基于光子晶体技术的特殊结构的光纤。通常由单一的石英材料构成，在沿光纤长度的方向上均匀排列着光波长量级的空气孔从而构成微结构包层。从光纤端面看，存在二维周期性结构。这种光纤具有许多优点，如具有宽带单模、高非线性、大模场面积、可控色散性等(文献
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.)。结合传统的光纤光栅写制技术，在纤芯掺锗的光子晶体光纤(PCF)上，可以写制出新型的光子晶体光纤光栅(Photonic Crystal FiberBragg Grating, PCFBG)(文献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.)。光子晶体光纤包层中空气孔的存在改变并且丰富了传统光纤的模式特性，而光栅从根本上讲就是这些模式之间的能量耦合，光子晶体光纤一系列可设计的优良特性使得写制的光栅将呈现出不同于普通单模光纤光栅的崭新特性(文献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.)，如具有良好的稳定性，大范围的宽带调谐特性等优异的特性，采用光子晶体光纤光栅构成的传感器有望解决传统光纤光栅难以克服的问题。温度传感器和磁场传感器是生产生活中应用最广泛的光纤光栅传感器，而在应用的过程中遇到的一个很大的挑战就是温度和磁场的交叉敏感问题(文献6.肖熙，周晓军.〃光纤光栅传感器温度和应变交叉敏感的研究现状.〃红外.2008，29 (3): 7-10.)。怎样排除传感数据中温度和磁场的交叉敏感，获得所需的待测参量成为了光栅传感研究中的一项重要课题。双参量同时测量是解决交叉敏感问题的有效方式。科研工作者推出了一系列解决方案，如将两个传感元件串联起来(文献7.P.S.Reddy.〃A simple FBG sensor forstrain-temperature discrimination.〃 Microwave and optical technology letters,2011，53(5):1021-1024.)，而这两个传感元件的对不同测量参数的敏感性存在差异。只要事先知道了这两个传感元件的传感特性，在实际应用中通过测量数据求解联立方程就能够分别得出两个待测量。而这种方法由于包括两个传感元件的级联，传感探头的尺寸较大，不能满足某些特殊场合需要单点测量的要求。葡萄牙学者Hugo F.Lima利用化啁啾光栅作为传感元件，采用双参量矩阵法实现了双参数的测量(文献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.)。而这种方法用到特殊的光纤光栅，特殊光纤光栅的制作难度很大，而且光波解调很困难。光子晶体光纤光栅中空气孔的存在，为参数同时测量提供了新的方法。通过在空气孔中填充敏感的材料，外参数的变化会引起光子晶体光纤光栅传输特性变化，进而可实现外参数的测量。磁流体是近年来出现的一种新型功能材料，既具有磁性材料的磁性又具有液体的流动性(文献 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),其折射率对温度、磁场的变化比较敏感。本发明提出将磁流体填充到具有两个谐振峰(一个是正、反向传播的基模之间耦合的结果LPtll，另一个是基模与包层模耦合的结果LPtl2)的光子晶体光纤光栅的空气孔中，由于磁流体折射率具有磁场和温度依赖性，导致随着外磁场或温度变化，光子晶体光纤光栅谐振峰的波长会发生移动，且不同谐振峰对不同参数变化的敏感度不一致，通过双波长矩阵法，实现温度和磁场的同时测量，同时解决了温度和磁场之间的交叉敏感问题。此外，通过选择不同物理性质的磁流体，可以改变温度和磁场的测量范围。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于克服了传统光纤光栅传感器耦合损耗较大、保偏特性差等缺点，提高传感器的稳定性能和测量灵敏度，解决光纤光栅传感器的温度和磁场交叉敏感问题，实现利用一个光栅同时进行温度和磁场的测量。(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提出用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法。该方法是在纤芯掺锗的光子晶体光纤的纤芯上写制光栅，然后在光栅外围的空气孔中填充磁流体，由于磁流体折射率具有磁场和温度依赖性，导致当作用到光子晶体光纤光栅上的外磁场或温度变化时，光子晶体光纤光栅谐振峰的波长会发生移动，且不同谐振峰对磁场和温度变化的敏感度不一致，采用双波长矩阵法，可以实现温度和磁场的同时测量。上述方案中，所述纤芯掺锗的光子晶体光纤为四层六角结构，采用毛细管堆积拉丝方法制备而成。具体制造过程是将毛细管、实心掺锗石英棒和石英套管按照预期设计的周期性结构堆积并熔合成形，然后经过多次拉丝制备光子晶体光纤。
上述方案中，所述的光子晶体光纤光栅结构，是利用相位掩膜法在纤芯掺锗的光子晶体光纤上写制，长Z=2cm,周期/^￠:=536)^11^上述方案中，在光子晶体光纤光栅空气孔中填充的磁流体，选择浓度为3%的水基Fe3O4磁流体，其热光系数为-2.4X 10_4/°C，磁光系数为4.98X 10_5/0e。通过毛细作用将磁流体填充进入光子晶体光纤光栅中。为了使填充的磁流体能有效作用在光纤光栅区域，可通过在填充磁流体的光子晶体光纤光栅两端绕上两个螺线管，用它使磁流体来回移动，不仅能够保证磁流体填充的均匀性，更可调整控制磁流体的填充位置。上述方案中，光子晶体光纤光栅的谐振峰个数通过光子晶体光纤的结构参数确定。空气孔直径孔间距/I =IOMm,掺锗纤芯直径Oretj=IMm,折射率为/7。。=1.4566,光纤内包层直径t/el=3lMm,光纤外包层直径D=125Mm,这种结构的光子晶体光纤存在两种模式，在其上写制的光栅具有两个谐振峰。上述方案中，外界环境温度变化，是指光子晶体光纤光栅的工作温度从20°C变化到80°C时，谐振峰LPtll的有效折射率由1.44706变化到1.446355，谐振峰LPtl2的有效折射率由1.444678变化到1.443526。通过计算可得谐振峰LPtll的温度变化灵敏度为-1.225X 10_2nm/°C，谐振峰 LPtl2 的温度变化灵敏度为-1.5933 X 10_2 nm/°C。上述方案中，外界磁场发生变化，是指光子晶体光纤光栅所受磁场由200e增加到3000e时，谐振峰LPtll的有效折射率由1.44632变化到1.446323，谐振峰LPtl2的有效折射率由1.444154变化到1.444474。通过计算可得谐振峰LPtll的磁场变化灵敏度为
1.07143 X IO-5 nm/0e，谐振峰 LP02 的磁场变化灵敏度为 6.17857 X IO-4 nm/Oe。(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
1)利用光子晶体光纤光栅构成的传感器，与传统光纤光栅传感器相比，具有良好的稳定性，大范围的宽带调谐特性等优异的特性，克服了传统光纤光栅传感器耦合损耗较大、保偏特性差等缺点，提高了传感器的稳定性能和测量灵敏度；
2)本发明提出的这种基于磁流体填充的光子晶体光纤光栅磁场和温度同时检测方法，解决了磁场和温度之间的交叉敏感问题，为双参数测量提供了新方法；
3)本发明提出的这种基于磁流体填充的光子晶体光纤光栅磁场和温度同时检测方法，实现了单根光纤双参数测量，大大地减小了传感探头的尺寸，还能满足某些场合需要单点测量的要求。
以下各图所取的光子晶体光纤光栅的结构参数以及填充磁流体的折射率大小均与具体实施方式
中相同:
图1为纤芯掺锗光子晶体光纤光栅结构示意 图2为纤芯掺锗光子晶体光纤在xy横截面上的模场分布 图3为填充磁流体的光子晶体光纤光栅在室温、无磁场作用下的反射谱，谐振峰LPtll为基模正、反向传播耦合结果；谐振峰LPtl2为基模与包层模耦合结果；
图4为光子晶体光纤光 栅谐振峰LPtll, LP02的有效折射率与温度的关系；
图5为光子晶体光纤光栅谐振峰LPtll, LP02的变化量与温度的关系；图6为光子晶体光纤光栅谐振峰LPtll, LP02的有效折射率与磁场的关系；
图7为光子晶体光纤光栅谐振峰LPtll, LP02的变化量与磁场的关系。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及测量过程作进一步的详细说明。本发明提出了用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法，如图1所示为纤芯掺锗光子晶体光纤光栅结构示意图。在图1所示的结构中，空气孔直径孔间距/I =IOMm,掺锗纤芯直径
折射率为/ 。。=1.4566，热光系数为7.5 X 10_6/° C。光纤内包层直径i/el=3lMm，光纤外包层直径D=125Mm，石英的有效折射率/ si=l.4466，热光系数为7.0X 10_6/°C，热膨胀系数
5.0X 10_5/°C，在未填充前所有空气孔的折射率均为1.0。在波长nm的光沿z方向作用下，利用comsol软件计算得光子晶体光纤的有效模场在Xz横截面上的分布如图2所示。可以很明显的看出，存在两种有效低阶模式，基模和包层模。基模谐振波长和包层模谐振波长的表达式分别为式(I)和式(2):
权利要求
1.用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法，其特征在于:将磁流体(MF)填充到具有两个谐振峰(一个是正、反向传播的基模之间耦合的结果，另一个是基模与包层模耦合的结果)的光子晶体光纤光栅(PCFBG)空气孔中，由于磁流体折射率具有磁场和温度依赖性，导致随着外磁场或温度变化，PCFBG谐振峰的波长会发生移动，采用双波长矩阵法，可以实现温度和磁场的同时测量。
2.如权利要求1所述的用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法，其特征在于:选取纤芯掺锗的4层六角空气孔结构的光子晶体光纤，空气孔直径孔间距/I =IOMm,掺锗纤芯直径心=1_，折射率为/ 。。=1.4566，热光系数为7.5 X10_6/°C ;光纤内包层直径i/el=3lMm，光纤外包层直径D=125Mm，硅的有效折射率/ si=L 4466，热光系数为7.0X 10_6/°C，热膨胀系数5.0X 10_5/°C，在未填充前所有空气孔的折射率均为1.0 ;在纤芯上写制长Z=2cm，周期/%；=536|^的光栅。
3.如权利要求1所述的用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法，其特征在于:当光子晶体光纤光栅的工作温度为20°C时，在空气孔内填充折射率为1.3592、浓度为3%的水基Fe3O4磁流体，其热光系数为-2.4X 10_4/°C，磁光系数为4.98X 10_5/0θ ;填充长度与光栅长度相同。
4.如权利要求3所述的用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法，其特征在于:当光子晶体光纤光栅的工作温度从20°C变化到80°C时，空气孔中磁流体、掺锗纤芯和硅的折射率会随温度的变化而变化，空气孔的大小和间距也会发生变化，导致光子晶体光纤模式有效折射率发生变化；另外光栅周期也会随温度的变化而变化；进而导致光子晶体光纤光栅的两个谐振峰波长发生漂移。
5.如权利要求3所述的用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法，其特征在于:对光子晶体光纤光栅施加外磁场作用时，由200e增加到3000e，空气孔中磁流体的折射率会随磁场的变化而变化，导致光子晶体光纤模式有效折射率发生变化，进而导致光子晶体光纤光栅的两个谐 振峰波长发生漂移。
6.如权利要求4、5所述的用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法,其特征在于:当外界参数温度和磁场同时作用到磁流体填充的光子晶体光纤光栅上，会引起光子晶体光纤光栅的两个谐振峰波长发生漂移，且不同谐振峰对不同参数变化的敏感度不一致，通过双波长矩阵法，实现温度和磁场的同时测量。
全文摘要
本发明提出了用于磁场和温度同时检测的光子晶体光纤光栅传感方法。在具有双谐振峰(正、反向传播的基模之间的耦合LP01,基模与包层模的耦合LP02)光子晶体光纤光栅的空气孔中填充对磁场和温度敏感的水基Fe3O4磁流体，随磁场和温度变化，其谐振峰发生移动，采用双波长矩阵法，实现对磁场和温度同时检测。仿真结果表明，温度在20~80oC变化时，LP01和LP02的温度变化灵敏度分别为-1.225×10-2nm/oC和--1.5933×10-2nm/oC。磁场在20~300Oe之间变化时，LP01和LP02的磁场变化灵敏度分别为1.07143×10-5nm/Oe和6.17857×10-4nm/Oe。
文档编号G01D21/02GK103196488SQ201310077758
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者赵勇, 张玉艳 申请人:东北大学