一种微结构光纤温度传感器

本发明属于光纤传感，尤其涉及一种微结构光纤温度传感器。

背景技术：

1、光纤温度传感器是开发最早且应用最多的一类光纤传感器，其原理主要是通过检测并分析输出光谱中不同特征点随温度改变的变化规律以实现温度测量。根据输出光谱的不同可以分为以下几类：

2、第一类是通过分析损耗光谱峰值对应的谐振波长随温度改变的变化规律以实现温度测量。典型的光纤温度传感器结构包括：①光纤光栅温度传感器，比如：冯森林，王兆香等人提出了一种用于同时测量温度和磁场强度的磁流体lpfg-fbg传感器。chao du等人提出了基于异丙醇填充光子晶体光纤长周期光纤光栅高灵敏度温度传感器。②光纤干涉仪温度传感器，比如：周舟，陶青提等人进行了基于多模干涉原理的新型光纤传感器特性研究。王张蓉，邵敏等人提出了基于七芯光纤的迈克尔逊干涉型光纤温度传感器。上述光纤温度传感器灵敏度在0.01nm/℃左右，相较于其他光纤温度传感器灵敏度低，不适用于对温度灵敏度要求较高的应用场合。③微结构光纤温度传感器，常用方案是引入包层缺陷模或者spp模，利用光纤的纤芯模和额外引入的模场相位匹配产生谐振耦合，结合温敏材料使纤芯产生的损耗光谱峰值对应的谐振波长随温度变化产生漂移，以实现温度测量。比如：erlei w等人基于等离子体共振原理并结合温敏材料氯仿设计了一种三芯微结构光纤传感器。刘海，白冰冰等人通过在光子晶体光纤包层外侧填镀金纳米膜及pdms温敏薄膜，设计了一种基于表面等离子体共振效应的高灵敏度温度传感。曾维友，王晴岚等人提出了一种基于模式耦合的高灵敏光子晶体光纤温度传感器。

3、上述所有光纤温度传感器都是根据不同原理和结构产生损耗光谱，并通过分析损耗光谱峰值对应的谐振波长随温度改变的变化规律以实现温度测量。其缺点在于：利用输出光谱检测损耗峰的移动时，输入光源在不同波长下光的强度是不均匀的。如果不消除输入光谱光强不均匀的影响，此时的输出光谱无法准确反映损耗峰的位置和移动；如果预先测量输入光谱的光强，并利用此结果对后续输出光谱进行矫正，当输入光谱发生波动时将影响输出光谱的损耗峰位置检测的准确性；如果实时监测输入光谱光强并实时对输出光谱进行矫正，虽然能够消除光源强度分布不均匀及光源光强扰动对输出光谱的影响，但会提高系统光路等的复杂程度。

4、第二类是通过分析色散波3db带宽中心波长随温度改变的变化规律以实现温度测量。比如，程同蕾，陈晓雨等人提出了基于光纤色散波的温度传感器及温度测量系统。温度变化时，色散波3db带宽的中心波长发生变化，通过检测输出光谱3db带宽中心波长的变化实现温度测量。色散波3db带宽中心波长位置难以确定且易受其他外界因素干扰产生漂移，导致光纤温度传感器温度测量精确度低，且其温度灵敏度也较低。

5、除此之外，wanting shao等人报道了将温敏材料与色散补偿光纤相结合，利用温度调节相位匹配波长，使色散谷值位置所对应波长随温度改变发生变化，以实现利用温度调节色散补偿工作波长的技术效果。但上述文章并未涉及到基于光纤色散曲线谷值对应波长位置随温度改变而移动的原理，实现利用色散曲线谷值对应波长的移动进行温度传感的技术效果。

技术实现思路

1、针对上述技术方案的不足，本发明提供了一种利用内芯模式与包层缺陷芯模式谐振使内芯模式色散随波长的变化曲线在谐振波长处产生一个谷(以下简称色散谷)，同时内芯模式能量耦合进入包层缺陷芯模式后再通过包层向外泄露，使内芯模式损耗随波长的变化曲线在谐振波长产生一个峰(以下简称损耗峰)，且色散谷底(即数值最小的负色散所对应的点)与损耗峰顶(即数值最大的损耗所对应的点)所对应的波长(即谐振波长)，其位置随温度改变而移动的微结构光纤温度传感器。

2、根据模式耦合理论，传感器中两个芯的模式折射率差值越小，两者模式能量耦合越强。当两个芯的模式折射率数值相等时，两者模式发生强烈的能量耦合，两个芯的模式折射率数值相等时对应波长为谐振波长。当光波波长位于谐振波长，传感器两个芯中的模式发生谐振后，会导致两芯中模式的折射率随波长的变化曲线在谐振波长及其附近波长发生突变，使其中一个模式的色散随波长变化的曲线以谐振波长为中心产生一个谷。另外，当光波波长位于谐振波长，传感器第一个芯中的模式能量耦合进入第二个芯中的模式，再从第二个芯中的模式发生泄露或被吸收时，第一个芯中的模式能量将持续减少，使第一个芯中模式的损耗随波长的变化曲线以谐振波长为中心产生一个峰。但若在同一传感器中，同时利用上述两个效应，使同一个芯中的模式既产生色散谷又产生损耗峰，当增大该芯模式在谐振波长处的能量损失以增大其损耗峰顶幅值时，该芯模式的能量损失又会导致两芯模式能量耦合强度减弱，从而造成该芯模式色散谷底幅值减小。因此，一般的传感器结构中同一个芯产生的色散谷底和损耗峰顶两个幅值大小有矛盾。

3、本发明的微结构光纤温度传感器采用纯石英玻璃为基底材料，其相邻空气孔均采用正六边形排布方式，包括内芯、包围内芯第一层空气孔、包层缺陷芯、包围包层缺陷芯第一层空气孔、光纤内除内芯、包围内芯第一层空气孔、包层缺陷芯、包围包层缺陷芯第一层空气孔外的多孔结构(以下称为包层)五部分，并在包层缺陷芯中的空气孔中填充液态乙醇作为温度传感区。通过合理设计相邻空气孔间距、包围内芯第一层空气孔直径、包层空气孔直径、包层层数、包围包层缺陷芯第一层空气孔直径、包层缺陷芯中空气孔的位置以及包层缺陷芯中的空气孔直径，本发明解决了内芯模式色散谷底和损耗峰顶两个幅值大小之间的矛盾，即解决了在同一传感器的同一芯中增大该芯模式能量损失以增大损耗峰顶幅值时，该芯模式能量损失又会导致两芯模式能量耦合强度减弱使该芯模式色散谷底幅值减小的问题。在温度传感范围内的任一温度下，本发明内芯模式能够同时产生谷底幅值大的色散谷和峰顶幅值大的损耗峰，且色散谷底与损耗峰顶对应波长位置随温度改变而移动，实现了在同一传感器结构中既可以利用内芯模式色散曲线上谷底对应波长随温度的变化关系，又可以利用其损耗曲线上峰顶对应波长随温度的变化关系来确定温度的技术效果。

4、本发明的微结构光纤温度传感器，其内芯模式损耗峰顶出现在内芯模式与包层缺陷芯模式发生谐振的波长，损耗峰顶幅值由两芯模式能量耦合强度和内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露决定。本发明内芯模式色散谷底也出现在两芯模式发生谐振的波长，色散谷底幅值由两芯模式能量耦合强度和两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量决定。而两芯模式能量耦合强度和两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量均由两芯模式之间的能量耦合通道决定。为了解决内芯模式损耗峰顶幅值和色散谷底幅值大小之间的矛盾关系这一技术问题，本发明在以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上构建对称分布在内芯两侧且由包围内芯第一层空气孔、包层、包围包层缺陷芯第一层空气孔及包层缺陷芯组成的光纤结构，其既作为内芯模式能量的泄露通道的一部分，又作为两芯模式能量的耦合通道的一部分。具体方案如下：

5、在以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上构建对称分布在内芯两侧且由包围内芯第一层空气孔、包层、包围包层缺陷芯第一层空气孔及包层缺陷芯组成的光纤结构，作为泄露通道的一部分，增大内芯模式损耗峰顶幅值；且作为耦合通道一部分，既保证两芯模式能量耦合强度，又增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，使内芯模式色散谷底幅值增大。

6、(1)利用构建的光纤结构作为泄露通道的一部分，增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露，从而实现增大内芯模式损耗峰顶幅值的技术方案：

7、本发明的微结构光纤温度传感器，两个包层缺陷芯对称分布在内芯两侧，且位于以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上。内芯模式损耗峰顶的产生是利用两芯模式谐振使内芯模式能量通过泄露通道中包围内芯第一层空气孔、包层中介于两芯之间的部分及包围包层缺陷芯第一层空气孔耦合至包层缺陷芯模式，再从包层缺陷芯模式通过泄露通道中包围包层缺陷芯第一层空气孔及包层中包层缺陷芯外侧部分继续向外泄露。因此，为了增大内芯模式损耗峰顶幅值，需增大内芯模式能量沿上述泄露通道产生的泄露。影响内芯模式能量沿上述泄露通道产生的泄露的因素如下：

8、内芯直径的大小方面：本发明的微结构光纤温度传感器，内芯由忽略中心1个空气孔的实心区域构成，其直径为包围内芯第一层空气孔包围形成的圆形区域的直径，计算公式为2λ-d2。其中，λ为相邻空气孔间距，d2为包围内芯第一层空气孔直径。其他条件相同的情况下，内芯直径越小，内芯直径与光波波长的比值越小，内芯对其模式能量的束缚作用越弱，两芯模式能量在谐振波长处的能量耦合越强，通过泄露通道耦合至包层缺陷芯模式的内芯模式能量越多，则内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露越大。本发明设置d2>d3，且明显大于传感器温度传感范围内的工作波长，并增大d2或减小λ，使内芯直径减小，有利于增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露，实现增大内芯模式损耗峰顶幅值的技术效果。

9、包层缺陷芯直径的大小方面：本发明的微结构光纤温度传感器，包层缺陷芯由填充液态乙醇的空气孔及周围的纯石英玻璃共同构成，其直径为包围包层缺陷芯第一层空气孔包围形成的圆形区域的直径，计算公式为2λ-d4。其中，d4为包围包层缺陷芯的第一层空气孔直径。其他条件相同的情况下，包层缺陷芯直径越小，包层缺陷芯直径与光波波长的比值越小，包层缺陷芯对其模式能量的束缚作用越弱。首先，两芯模式在谐振波长处的能量耦合越强，通过泄露通道耦合至包层缺陷芯模式的内芯模式能量越多；其次，从包层缺陷芯模式通过泄露通道向外泄露的能量越多，使内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露越大。本发明增大d4或减小λ，使包层缺陷芯直径减小，有利于增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露，实现增大内芯模式损耗峰顶幅值的技术效果。

10、内芯折射率与由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值方面：本发明的微结构光纤温度传感器，基底材料为纯石英玻璃，内芯折射率为纯石英玻璃折射率nsi，其中，λ为光波波长，单位为μm。由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构的折射率为包围内芯第一层空气孔和包层空气孔与其周围纯石英玻璃按照面积比例折算的平均折射率，计算公式为其中，nair为空气折射率，数值为1，d3为包层空气孔直径。内芯折射率与由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值计算公式为其他条件相同的情况下，内芯折射率与由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值越小，由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构对内芯模式能量的束缚作用越弱，内芯模式能量越容易耦合至包层缺陷芯模式，则内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露越大。本发明设置λ明显大于传感器温度传感范围内的工作波长，并减小d2、减小d3或增大λ，使内芯折射率与包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值减小，有利于增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露，实现增大内芯模式损耗峰顶幅值的技术效果。

11、包层缺陷芯折射率与由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值方面：本发明的微结构光纤温度传感器，包层缺陷芯由填充液态乙醇的空气孔及周围的纯石英玻璃共同构成，其折射率为填充液态乙醇的空气孔及周围的纯石英玻璃按面积占比折算的平均折射率，计算公式为其中，d1为包层缺陷芯中的空气孔直径，n1为液态乙醇的折射率,其中，t为温度，单位为℃。由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构的折射率为包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层空气孔与其周围纯石英玻璃按照面积比例折算的平均折射率，计算公式为其中，d4为包围包层缺陷芯第一层空气孔直径。包层缺陷芯折射率与由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值计算公式为其他条件相同的情况下，包层缺陷芯折射率与由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值越小，由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构对包层缺陷芯模式能量的束缚作用越弱。首先，内芯模式能量越容易通过泄露通道耦合至包层缺陷芯模式，其次，耦合至包层缺陷芯模式的内芯模式能量越容易通过泄露通道向外泄露，则内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露越大。本发明设置λ明显大于传感器温度传感范围内的工作波长；设置d1为所有空气孔直径中的最大值；设置d4<d3，且明显小于传感器温度传感范围内的工作波长；增大λ、增大d1、减小d3或减小d4，使包层缺陷芯折射率与由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值减小，有利于增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露，实现增大内芯模式损耗峰顶幅值的技术效果。

12、内芯与包层缺陷芯之间的距离方面：本发明的微结构光纤温度传感器，内芯与包层缺陷芯之间的距离为内芯中心与包层缺陷芯中填充液态乙醇的空气孔中心之间的距离。包层缺陷芯中填充液态乙醇的空气孔位于包层中第n1层，为保证包层缺陷芯位于以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上，且包围内芯第一层空气孔与包围包层缺陷芯第一层空气孔不重叠，需满足n1＝2n+1，其中n＝1,2……。当n≥2时，包层层数n≥7，包层空气孔对内芯模式能量的限制作用增强，不利于增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露。本发明设置n1＝3，则两芯之间的距离计算公式为其它条件相同的情况下，两芯之间的距离越小，两芯模式在谐振波长处的能量耦合越强，通过泄露通道耦合至包层缺陷芯模式的内芯模式能量越多，则内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露越大。本发明减小λ，使两芯之间的距离减小，有利于增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露，实现增大内芯模式损耗峰顶幅值的技术效果。

13、包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离方面：本发明的微结构光纤温度传感器，包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离为其它条件相同的情况下，包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离越小，从包层缺陷芯模式通过泄露通道向外泄露的内芯模式能量越多，则内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露越大。本发明减小n、减小d3或减小λ，使包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离减小，有利于增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露，从而可实现增大内芯模式损耗峰顶幅值的技术效果。

14、综上所述，本发明的微结构光纤温度传感器设置λ明显大于传感器温度传感范围内的工作波长；设置d1为所有空气孔直径中的最大值；设置d2>d3>d4，且d2明显大于传感器温度传感范围内的工作波长，d4明显小于传感器温度传感范围内的工作波长。同时，增大d1、减小d3或减小n，并综合调整参数d2、d4以及λ，增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露，从而实现增大内芯模式损耗峰顶幅值的技术效果。

15、(2)利用泄露通道中的一部分作为耦合通道的一部分，增大内芯模式损耗峰顶幅值的同时，增大内芯模式色散谷底幅值。具体技术方案为：

16、本发明的微结构光纤温度传感器，增强两芯模式在谐振波长处的能量耦合强度和两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量时，两芯模式在谐振波长处发生强烈的能量耦合且在偏离谐振波长时能量耦合迅速衰减，使内芯模式折射率在谐振波长附近产生突变，从而形成谷底幅值大的色散谷。因此，本发明利用泄露通道中包围内芯第一层空气孔、包层、包围包层缺陷芯第一层空气孔及包层缺陷芯结构作为耦合通道的一部分，增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露使其损耗峰顶幅值增大的同时，既保证两芯模式能量耦合强度，又增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，从而增大内芯模式色散谷底幅值。

17、1)增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露使其损耗峰顶幅值增大的同时，保证内芯模式与包层缺陷芯模式能量耦合强度，从而实现增大内芯模式色散谷底幅值的技术方案：

18、如上所述，增大传感器中某一芯中的模式在谐振波长处的能量损失以增大其损耗峰顶幅值时，该芯中的模式能量损失又会导致两芯中的模式能量耦合强度减弱，从而造成该芯中模式的色散谷底幅值减小。为了使传感器内芯模式同时产生谷底幅值大的色散谷和峰顶幅值大的损耗峰，本发明在内芯模式能量损失相同的情况下，增强两芯模式能量耦合强度，从而减弱内芯模式能量损失与两芯模式能量耦合强度之间的相互制约。因此，本发明利用泄露通道中的包围内芯第一层空气孔、包层、包围包层缺陷芯第一层空气孔及包层缺陷芯结构作为耦合通道的一部分，在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强两芯模式能量耦合强度，即可在增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露使其损耗峰顶幅值增大的同时，保证两芯模式能量耦合强度，从而增大内芯模式色散谷底幅值。在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，影响两芯模式能量耦合强度的因素如下：

19、内芯直径的大小方面：本发明的微结构光纤温度传感器，其他条件相同的情况下，内芯直径越小，内芯直径与光波波长的比值越小，内芯对其模式能量的束缚作用越弱，则两芯模式在谐振波长处的能量耦合越强。同时，内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露也增大，导致内芯模式能量减弱，从而不利于两芯模式能量耦合。但由于包层对内芯模式能量的限制，导致内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露的增大主要是通过增强两芯模式能量耦合强度实现的，即内芯直径减小更有利于增强两芯模式能量耦合强度。本发明设置d2>d3，且d2明显大于传感器温度传感范围内的工作波长，并增大d2或减小λ时，使内芯直径减小，有利于在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强内芯模式与包层缺陷芯模式能量耦合强度。

20、包层缺陷芯直径的大小方面：本发明的微结构光纤温度传感器，其他条件相同的情况下，包层缺陷芯直径越小，包层缺陷芯直径与光波波长的比值越小，使包层缺陷芯对其模式能量的束缚作用越弱，两芯模式能量在谐振波长处能量耦合越强。但两芯模式能量在谐振波长处能量耦合增强时，耦合至包层缺陷芯模式的内芯模式能量增多；除此之外，从包层缺陷芯向外泄露的能量也增多，使内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露增大，导致内芯模式能量减弱，从而不利于两芯模式能量耦合。综合作用下，包层缺陷芯直径减小，不利于在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强内芯模式与包层缺陷芯模式能量耦合强度。因此，本发明设置λ明显大于传感器温度传感范围内的工作波长；设置d4<d3，且明显小于传感器温度传感范围内的工作波长；减小d4或增大λ，使包层缺陷芯直径增大，从而有利于在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强内芯模式与包层缺陷芯模式能量耦合强度。

21、内芯折射率与由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值方面：本发明的微结构光纤温度传感器，其他条件相同的情况下，内芯折射率与由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值越小，由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构对内芯模式能量的束缚作用越弱，内芯模式能量越容易通过泄露通道耦合至包层缺陷芯模式，使两芯模式在谐振波长处的能量耦合越强。同时，内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露也增大，使内芯模式能量减弱，从而不利于两芯模式能量耦合。但由于内芯模式能量先耦合至包层缺陷芯模式，再通过包层缺陷芯模式向包层外泄露，使内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露增大。因此，内芯折射率与由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值减小，更有利于增强两芯模式能量耦合强度。本发明设置λ明显大于传感器温度传感范围内的工作波长，并减小d2、减小d3或增大λ，使内芯折射率与由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值减小，有利于在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强内芯模式与包层缺陷芯模式能量耦合强度。

22、包层缺陷芯折射率与由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值方面：本发明的微结构光纤温度传感器，其他条件相同的情况下，包层缺陷芯折射率与由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值越小，由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构对包层缺陷芯模式能量的束缚作用越弱，内芯模式能量越容易通过泄露通道耦合至包层缺陷芯模式，两芯模式在谐振波长处的能量耦合越强。除此之外，耦合至包层缺陷芯模式的内芯模式能量也越容易向外泄露，使内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露增大，内芯模式能量减弱，从而不利于两芯模式能量耦合。综合作用下，包层缺陷芯折射率与由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值减小，不利于在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强内芯模式与包层缺陷芯模式能量耦合强度。本发明减小λ、减小d1、增大d3或增大d4，使包层缺陷芯折射率与包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值增大，有利于在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强内芯模式与包层缺陷芯模式能量耦合强度。

23、内芯与包层缺陷芯之间的距离方面：本发明的微结构光纤温度传感器，包层缺陷芯位于以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上和顶角处时，两芯之间的距离计算公式分别为和4λ。包层缺陷芯位于以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上时，两芯之间的距离最小。其它条件相同的情况下，两芯之间的距离越小，两芯模式在谐振波长处的能量耦合越强。同时，内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露也越大，导致内芯模式能量减弱，从而不利于两芯模式能量耦合。但两芯之间的距离减小时，首先两芯模式能量耦合增强，其次耦合至包层缺陷芯模式的内芯模式能量增多，使内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露增大，即两芯之间的距离减小，更有利于增强两芯模式能量耦合强度。本发明设置包层缺陷芯位于以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上，并减小λ，使两芯之间的距离减小，有利于在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强内芯模式与包层缺陷芯模式能量耦合强度。

24、包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离方面：本发明的微结构光纤温度传感器，包层缺陷芯位于以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上或顶角处时，包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离均为但位于顶角处时，存在4条边使包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离相同，此时内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露更大。由(1)可知，包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离减小，内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露增大，内芯模式能量减弱，从而不利于两芯模式能量耦合。本发明设计包层缺陷芯位于以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上；设置λ明显大于传感器温度传感范围内的工作波长；增大n、增大d3或增大λ时，使包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离增大，有利于在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强内芯模式与包层缺陷芯模式能量耦合强度。

25、综上所述，本发明设计包层缺陷芯位于以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上；设置λ明显大于传感器温度传感范围内的工作波长；设置d1为所有空气孔直径中的最大值；设置d2>d3>d4，且d2明显大于传感器温度传感范围内的工作波长，d4明显小于传感器温度传感范围内的工作波长。在此基础上，减小d1、增大d4或增大n，并综合调整d2、d3及λ，在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强两芯模式能量耦合强度，即在增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露使其损耗峰顶幅值增大的同时，保证两芯模式能量耦合强度，实现增大内芯模式色散谷底幅值的技术效果。

26、2)增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露使其损耗峰顶幅值增大的同时，增大内芯模式与包层缺陷芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，从而实现增大内芯模式色散谷底幅值的技术方案：

27、本发明的微结构光纤温度传感器，两芯模式折射率数值相等时，两者模式发生强烈的能量耦合，两个芯的模式折射率数值相等时对应波长为谐振波长。当增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量时，两芯模式折射率随波长红移曲线在偏离谐振波长处快速分离，使两芯模式折射率数值在偏离谐振波长范围差值增大，导致两芯模式在偏离谐振波长的能量耦合迅速衰减，从而增大内芯模式色散谷底幅值。由此可知，增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，有利于增大内芯模式色散谷底幅值。因此，本发明利用泄露通道中的包围内芯第一层空气孔、包层、包围包层缺陷芯第一层空气孔及包层缺陷芯结构作为耦合通道的一部分，在增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露使其损耗峰顶幅值增大的同时，增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，从而增大内芯模式色散谷底幅值。两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量由内芯模式折射率和包层缺陷芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值决定。内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值受内芯模式折射率上、下限以及内芯直径与光波波长的比值影响；包层缺陷芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值受包层缺陷芯模式折射率上、下限以及包层缺陷芯直径与光波波长比值影响。因此，影响两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量的因素如下：

28、内芯模式和包层缺陷芯模式折射率上限方面：本发明的微结构光纤温度传感器，内芯模式折射率以内芯折射率为上限，包层缺陷芯模式折射率以包层缺陷芯折射率为上限。由(1)可知，内芯折射率为nsi，包层缺陷芯折射率为在液态乙醇的温度传感范围内的任意温度和任意波长条件下，液态乙醇的折射率n1始终小于纯石英玻璃折射率nsi。因此，包层缺陷芯折射率n2始终小于内芯折射率nsi，即包层缺陷芯模式折射率上限始终小于内芯模式折射率上限。由于内芯模式折射率上限始终等于纯石英玻璃折射率nsi，且其不随结构参数改变而改变。因此，其他条件相同的情况下，包层缺陷芯模式折射率上限越小，包层缺陷芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值越小，两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量越大，则内芯模式色散谷底幅值越大。本发明设置d1为所有空气孔直径中的最大值，并增大d1、增大d4或减小λ，使包层缺陷芯模式折射率上限减小，有利于增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，从而可实现增大内芯模式色散谷底幅值的技术效果。

29、内芯模式和包层缺陷芯模式折射率下限方面：本发明的微结构光纤温度传感器，内芯模式折射率以由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构的平均折射率为下限，包层缺陷芯模式折射率以由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构的平均折射率为下限，则内芯和包层缺陷芯模式折射率下限为和本发明设置d2>d4，则内芯模式折射率下限始终小于包层缺陷芯模式折射率下限。其他条件相同的情况下，内芯模式折射率下限越小或包层缺陷芯模式折射率下限越大，即内芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值越大或包层缺陷芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值越小，两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量越大，则内芯模式色散谷底幅值越大。由上述公式可知，改变d3时，内芯模式和包层缺陷芯模式折射率下限增大或减小的幅度相同，即无法通过调节d3，增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量。增大λ时，由于d2>d4，内芯模式折射率下限减小的幅度大于包层缺陷芯模式折射率下限减小的幅度，使内芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值增大幅度大于包层缺陷芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值增大幅度；增大d2时，内芯模式折射率下限随之减小，使内芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值增大；减小d4时，包层缺陷芯模式折射率下限增大，使包层缺陷芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值减小。这均有利于增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，从而可实现增大内芯模式色散谷底幅值的技术效果。

30、内芯直径与光波波长比值方面：本发明的微结构光纤温度传感器，其他条件相同的情况下，内芯直径越小，光波波长与内芯直径的比值越大，当光波波长改变相同数值时，光波波长与内芯直径的比值变化幅度越大，导致内芯模式折射率变化幅度越大，使内芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值越大，两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量越大，则内芯模式色散谷底幅值越大。本发明设置d2>d3，且明显大于传感器温度传感范围内的工作波长，并增大d2或减小λ，使内芯直径减小，有利于增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量增大，从而可实现增大内芯模式色散谷底幅值的技术效果。

31、包层缺陷芯直径与光波波长比值方面：本发明的微结构光纤温度传感器，其他条件相同的情况下，包层缺陷芯直径越大，光波波长改变相同数值时，光波波长与包层缺陷芯直径的比值变化幅度越小，包层缺陷芯模式折射率变化幅度越小，使包层缺陷芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值越小，两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量越大，则内芯模式色散谷底幅值越大。本发明设置λ明显大于传感器温度传感范围内的工作波长；设置d4<d3，且d4明显小于传感器温度传感范围内的工作波长；减小d4或增大λ，使包层缺陷芯直径增大，有利于增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，从而可实现增大内芯模式色散谷底幅值的技术效果。

32、综上所述，本发明的微结构光纤温度传感器设置λ明显大于传感器温度传感范围内的工作波长；设置d1为所有空气孔直径中的最大值；设置d2>d3>d4，且d2明显大于传感器温度传感范围内的工作波长，d4明显小于传感器温度传感范围内的工作波长。在此基础上，增大d1或增大d2，并综合调整参数d4及λ，在增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露使其损耗峰顶幅值增大的同时，增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，实现增大内芯模式色散谷底幅值的技术效果。

33、为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

34、一种微结构光纤温度传感器，采用纯石英玻璃作为基底材料；光纤端面上所有空气孔均采用正六边形排布方式；包括内芯、包围内芯第一层空气孔、包层缺陷芯、包围包层缺陷芯第一层空气孔、包层五部分；所述内芯为忽略中心1个空气孔的实心区域；

35、所有空气孔的相邻空气孔间距为λ；所述包围内芯第一层空气孔包含6个空气孔，其直径均为d2；所述包层缺陷芯由填充液态乙醇的空气孔及周围的纯石英玻璃共同组成，2个包层缺陷芯对称分布在内芯两侧，且位于以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上，其中，填充液态乙醇的空气孔位于包层中第3层，其直径均为d1；所述包围包层缺陷芯第一层空气孔，共包含12个空气孔，其直径均为d4；所述包层层数为n，且包层空气孔直径均为d3；上述四种空气孔直径大小满足：d1>d2>d3>d4。

36、进一步的，所述相邻空气孔间距λ的范围为2.395-2.405μm。

37、进一步的，所述包围内芯第一层空气孔直径d2的范围为1.895-1.905μm。

38、进一步的，所述包层缺陷芯中填充液态乙醇的空气孔直径d1的范围为2.195-2.205μm。

39、进一步的，所述包围包层缺陷芯第一层空气孔直径d4的范围为0.785-0.795μm。

40、进一步的，所述包层空气孔直径d3的范围为1.595-1.605μm。

41、进一步的，所述包层层数n的范围为5-6。

42、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果如下：

43、本发明提出一种微结构光纤温度传感器，其利用两芯模式谐振并构建泄露和耦合的共用通道，使内芯模式同时产生谷底幅值大的色散谷和峰顶幅值大的损耗峰，且色散谷底与损耗峰顶对应波长位置随温度改变而移动。本发明实现了在同一传感器结构中既可以利用内芯模式色散曲线上谷底对应波长随温度的变化关系，又可以利用内芯模式损耗曲线上峰顶对应波长随温度的变化关系来确定温度的技术效果。与现有技术相比具有以下有益效果：

44、本发明实现了在同一传感器结构中既可以利用内芯模式色散曲线上谷底对应波长随温度的变化关系，又可以利用其损耗曲线上峰顶对应波长随温度的变化关系确定温度，而非其他方案中通过分析单一损耗光谱峰值对应的谐振波长随温度改变的变化规律或单一色散波3db带宽中心波长随温度改变的变化规律实现温度测量。首先，本发明在以内芯为中心的正六边形空气孔阵列相对的两条边的中垂线上构建对称分布在内芯两侧且由包围内芯第一层空气孔、包层、包围包层缺陷芯第一层空气孔及包层缺陷芯组成的光纤结构，利用其作为泄露通道的一部分；同时，利用参数d1、d2、d3、d4、λ以及n调控内芯直径、包层缺陷芯直径、内芯与由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值、包层缺陷芯与由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值、两芯之间的距离及包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离，增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露，从而增大其损耗峰顶幅值。其次，利用上述泄露通道中的包围内芯第一层空气孔、包层、包围包层缺陷芯第一层空气孔及包层缺陷芯结构作为耦合通道的一部分。一方面，利用参数d1、d2、d3、d4、λ以及n调控内芯直径、包层缺陷芯直径、内芯与由包围内芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值、包层缺陷芯与由包围包层缺陷芯第一层空气孔和包层共同组成的多孔结构折射率的差值、两芯之间的距离及包层缺陷芯中心与包层最外侧边界之间的距离，在内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露相同的情况下，增强两芯模式能量耦合强度，从而增大内芯模式色散谷底幅值。另一方面，利用参数d1、d2、d3、d4、λ以及n调控内芯模式和包层缺陷芯模式折射率上限、内芯模式和包层缺陷芯模式折射率下限、内芯直径与光波波长比值及包层缺陷芯直径与光波波长比值，增大内芯模式能量沿泄露通道产生的泄露使其损耗峰顶幅值增大的同时，增大两芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配量，从而增大内芯模式色散谷底幅值。因此，本发明内芯模式同时产生谷底幅值大的色散谷和峰顶幅值大的损耗峰，且在同一结构中既可以利用内芯模式色散曲线上谷底对应波长随温度的变化关系，又可以利用其损耗曲线上峰顶对应波长随温度的变化关系来确定温度。与现有技术中分析单一损耗光谱峰值对应的谐振波长随温度改变的变化规律以实现温度测量相比，其好处在于克服了输入光强不均匀、光源光强扰动以及系统光路复杂程度限制，导致测量准确度和精度降低的不足；与现有技术中分析单一色散波3db带宽中心波长随温度改变的变化规律以实现温度测量相比，其好处在于克服了温度测量精确度低、温度灵敏度也较低的不足。

45、采用该技术方案，实施例最终得到的结果为：本发明的微结构光纤温度传感器的温度传感范围为-70～70℃，其最大灵敏度可达3.156nm/℃。