新型结构光纤传感器及其应用探究

李书婷

（商洛学院电子信息与电气工程学院,商洛,726000）

新型结构光纤传感器及其应用探究

李书婷

（商洛学院电子信息与电气工程学院,商洛,726000）

本章主要介绍了光子晶体光纤中的非线性现象以及基本原理。并提出了一种基于光子晶体光纤中四波混频现象的拉力传感器,从理论模拟和实验方面验证了该非线性传感器的特性。

光纤传感器；应用；光子晶体光纤

1 光纤传感技术

光纤传感就是利用外界坏境参数对光纤中光波参量进行调制,然后再对调制后的光信号进行解调获得外界变量的一种技术。假设光波在光纤中传播,其电场表达式可以表示为:

当外界因素影响上式中的光强,频率,偏振或者相位时,就能改变光波的行为,这就是光纤传感的基本原理。

光纤传感器根据原理可分为功能型和非功能型两种。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性或者后期制作的功能型结构作为敏感元件;而非功能型光纤传感器是利用其它功能器件来感知被测量,光纤本身只起到传输光信号的作用。本论文讨论的传感器属于功能型光纤传感器。

2 新型光纤传感器发展

2.1 光纤光栅

光纤光栅是光纤中具有折射率周期性调制的光无源器件,它对在光纤中传输的特定波长的光进行正向或反向精合,从而可以作为一个滤波器或反射镜。

1993年,K.O.Hill等人又提出了相位掩膜写入技术,通过紫外光垂直照射相位掩膜形成的±1级衍射条纹对光纤进行侧面曝光,从而写入光栅这种技术大大降低了对写入激光的要求,同时受环境因素影响小,制作重复性高,从而被广泛的使用。1996年,Vengsarkar等人首次利用相位掩膜法制作了周期为几百微米的能够实现同向模式耦合的长周期光栅,该光珊可以把纤芯基模耦合到包层模中去,并形成相应的损耗,是理想的带阻传输型滤波器件。经过三十多年的发展,光纤光栅在技术上已趋于成熟,并巳经逐渐成为光纤传感领域不可或缺的重要器件。

2.2 干涉型传感器

自1881年,美国物理学家Michelson发明Michelson干涉仪以来,激光干涉传感器技术得到了很大的发展。随后又出现了Mach-Zehnder干涉仪,Sagnac干涉仪,Fabry-Peort干涉仪等。这些干涉仪传感器在工程应用,环境监测,生物医学方面得到了广泛的应用。

2.3 光子晶体光纤传感器

1996年,Russell等人第一次报道了光子晶体光纤(PCF),PCFs是一种包层由周期排列的空气孔组成的新型光纤,其设计灵活的特点,使得PCFs—直是光纤传感领域的研究热点之一。

1)光纤光栅传感器

1999年,Eggleton等人利用光纤的光敏特性,成功的在掺锗光子晶体光纤芯层写入了均句周期的光纤光栅布拉格光栅和长周期光栅。2003年,Groothoff等人利用相位掩膜法,在没有掺杂的纯石英光子晶体光纤中制作出布拉格光栅。光子晶体光纤光栅传感器可以用来测量折射率,气体浓度,DNA,拉力等。

2)干涉型传感器

干涉型光纤传感器基于传统的光学干涉原理,常用的有Mach-Zehner干涉仪、Sagnac干涉仪、Fabry-Perot干涉仪等结构。利用光纤塌陷现象,可以制作各种各种Mach-Zehner干涉仪。新型的保偏光纤可以用来形成Sagnac光纤干涉仪用于弯曲,拉力,压强等测量。Honow-core光子晶体光纤可以用来形成Fabry-Perot干涉仪。

3 新型传感器的应用

3.1 Sagnac干涉仪传感器的原理

本节先利用图解法对Sagnac干涉仪的操作原理进行解释,并利用琼斯矩阵进一步进行说明。

系统结构如图1所示,3-dB輔合器以及光纤位于XZ平面上,光从端口1入射。假设入射光与Y轴的夹角为θ,入射光被3-dB精合器分成两束,形成两个沿相反方向传输的光,如图1(b)和(C)实线所示,同时由于3-dB賴合器的原因,(c)的相位延迟п/2。我们知道如果保偏光纤引起的相位差为2п的整数倍时,其相当于一个全波片,而当其引起的相位差为п的基数倍时,保偏光纤相当于一个半波片。首先我们考虑全波片的情况。当两束到迖Sagnac环的中间位置时,其与Y轴的夹角分别为θ和-θ。如图1(d)和(e)实线所示。当两束光继续传输,并由3-dB補合器后,两束光与Y轴的夹角为-θ,但是由于这两束光之间的相位相差п,所以从端口1输出的光强最小(即干涉相消),而在端口2输出最大光强(干涉相长)。接下来,我们假设保偏光纤引起的相位差п的基数倍时,即保偏光纤相当于一个半波片。我们知道当一束光入射到半波片上,如果其偏振方向与半波片的主轴的夹角为Φ时,当通过半波片后,其偏正方向将绕主轴旋转2Φ。当光通过Sagnac环中的保偏光纤后,其偏振方向如图4.19(C)和(f)的虚线所示。最后由3-dB耦合器接收,这时,两束光的偏振方向与X轴的夹角都为θ,但是方向相反,但是由于3-dB耦合器造成的两束光之间固有的п相位延迟,从而使得从端口1输出的光强最大(即干涉相长),而从端口2输出的光强最小(即干涉相消)。从上述图解过程中,我们可以的出结论,Sagnac环输出的光强大小与输入偏振态无关,由于保偏光纤所引入的偏振态旋转与波长相关,所以输出光信号的强度随波长周期性变化。

3.2 级联Sagnac干涉仪拉力传感器

上一节,我们介绍了一种基于全固态保偏混合模式光子晶体光纤的双折射干涉仪拉力传感器,然而由于该光纤属于应力双折射光纤,双折射系数对温度非常敏感,在实际的拉力监测过程中,需要排除温度的影响,因此,这一节,我们将介绍一种基于全固态保偏混合模式光子晶体光纤的级联Sagnac拉力传感器,该传感器具有超高的拉力灵敏度,同时温度串扰大为降低。

为了研究级联Sagnac干涉仪的传感特性,我们将参考Sagnac干涉仪固定在光学平台上,同时保持光子晶体光纤拉直状态,以避免弯曲损耗。同时将传感Sagnac干涉仪中光子晶体光纤固定在调节架上,其中调节架之间光纤的长度为30cm。其中一个调节架固定,另外一个调节架可以纵向移动,从而向光子晶体光纤施加拉力,调节架的步进误差为0.01mm。轴向拉力(ε=ΔL/L)可以定义为光纤拉升的长度(ΔL)与两个调节架间光纤长度(L)的比值。由于施加的拉力将会引起双折射系数B和光纤长度L的变化,从而引起相位的变化:

图1 光在Sagnac环里的传输

其中ΔB是光子晶体光纤的双折射系数变化,所以光谱的漂动为:

代入从而可得到：

方程4右侧第一项代表了由于光纤长度变化所导致的波长漂动,对传感信号1,其灵敏度为1.55pm/p。由光纤长度变化所导致的拉力灵敏度与基于几何双折射光纤的拉力传感器相近。所以光纤长度变化将在基于几何双折射光纤的拉力传感器中起决定性作用。然而光纤长度变化所导致的拉力灵敏度远远小于基于应力双折射光纤的拉力传感器。因此方程4右侧第二项将决定基于应力双折射光纤的拉力传感器的特性。

利用线性拟合的方法,我们可以的到信号Δλ1和Δλ2的拉力灵敏度分别为25.6pm/με和24.2pm/με。我们提出的基于全固态保偏混合模式光子晶体光纤的级联Sagnac干涉仪拉力传感器具有超高拉力灵敏度,其灵敏度高于基于光纤光栅、几何双折射光子晶体光纤的拉力传感器。

[1] J.K.Lyngso,B.J.Mangan,C.B.Olausson,andP.J.Robe rts,StressinducedbirefringenceinhybridTIR/PBG guidingsolidphotoniccrystalfibers.OpticsExpre ss,2010,18(13),14031-14040.

[2] 顾波波.新型结构光纤传感器及其应用研究[D].浙江大学,2012.

[3] 朱启荣,杨国标,曾伟明.新型多功能光纤传感器研究及应用[J].现代科学仪器,2008,05:17-19.

The new optical fiber sensor and its application to explore

Li ShuTing
(Shool of Electronic Information and Electrical Engineering ,Shangluo University,Shangluo,726000，China)

This chapter introduces the photonic crystal fiber nonlinear phenomena and basic principles.And made a tension sensor based on photonic crystal fiber four-wave mixing phenomena,from theoretical modeling and experimental validation of the characteristics of the non-linear sensor.

fiber optic sensor;application;photonic crystal fiber

李书婷（1978-），女，陕西商洛人，讲师，硕士，主要从事物理与电子信息方面的教学及实验研究。

陕西省教育厅自然科学基金项目(批准号: 2010JK530); 商洛学院科研基金资助项目(批准号: 09sky012)