超低温度系数的光子晶体光纤Sagnac压力传感器

一种基于光子晶体的传感器现代科技的发展给传感器技术带来了飞速的进步，光子晶体传感器作为一种新兴的传感器技术，具有许多优异的特性。

本文将对光子晶体传感器的原理、结构和应用进行详细介绍。

一、光子晶体传感器的原理光子晶体是一种具有周期性介电常数的结构，这种结构可以在特定的频率范围内形成光子禁带。

当外界环境发生变化时，例如温度、压力、湿度等，光子禁带会产生位移，从而改变传感器的光学特性。

通过测量光子晶体传感器输出光的变化，就可以获得环境参数的信息。

二、光子晶体传感器的结构光子晶体传感器一般由光源、光纤、光栅和光谱仪等组成。

光源发出光信号，通过光纤输入光线到达光栅表面，然后通过光栅以及光子晶体传感器内部的介质，最终到达光谱仪进行分析。

光栅的作用是使入射光与晶体内部的光子禁带发生相互作用，从而实现对传感器传输光线的调控。

三、光子晶体传感器的应用1. 温度传感器：光子晶体传感器可以根据温度的变化改变光子禁带的位置，从而测量温度的变化。

与传统温度传感器相比，光子晶体传感器具有更高的灵敏度和稳定性。

2. 湿度传感器：湿度会影响光子晶体传感器材料中的通道尺寸，进而改变光子晶体的光学性质。

通过测量光子晶体传感器输出光的强度变化，可以得到湿度信息。

3. 气体传感器：将特定的敏感材料引入光子晶体传感器中，当有害气体与敏感材料接触时，光子晶体传感器的光学性质会发生变化。

通过测量光子晶体传感器输出光的变化，可以检测到气体的存在及其浓度。

4. 生物传感器：在光子晶体传感器的表面引入特定的生物识别分子，当被测生物物质与生物识别分子结合时，会导致光子禁带位置的改变。

通过测量光子晶体传感器输出光的变化，可以实现对生物物质的检测。

光子晶体传感器具有快速响应、高灵敏度、可重复使用等优点，在环境监测、医疗诊断、食品安全等领域具有广阔的应用前景。

总结：光子晶体传感器是一种基于周期性介电常数结构的传感器技术，利用光子晶体内部的光子禁带变化来检测环境参数的变化。

第33卷第6期2020年12月大学物理实验PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGEVol.33No.6Dec.2020文章编号.1007-2934(2020)06-0001-06基于细芯保偏■细芯光敏光纤结构的Sagnac干涉仪的温度和应变传感实验研究吴许强方莎莎1,王鹤林1,张刚1,时金辉2,左钺彳,俞本立1,2(1.安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽合肥230601；2.安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室，安徽合肥230601)摘要：提出并实验验证一种基于纤芯失配的光纤赛格纳克(Fiber Sagnac Interferometer,FSI)温度和应变传感器。

该传感器由细芯熊猫型保偏光纤(Thin-Core Panda Polarization Maintaining Fiber,TPMF)与细芯光敏光纤(Thin-Core Photosensitizer Fiber,TPSF)熔接并引入Sagnac环中制成。

实验研究了不同TPSF长度对温度和应变灵敏度的影响。

结果表明，当TPSF长度分别为12cm和16cm时，获得的最高和最低温度灵敏度为-1.93nrn/t和-1.46nm/r，但TPSF长度对传感器的应变灵敏度影响不大，相关指标都优于相关文献报道的非填充或无涂层光纤温度和应变传感器。

该传感器具有灵敏度高、制作简单、稳定性好等优点。

在物理、生物和化学传感方面具有潜在的应用前景。

关键词：细芯熊猫型保偏光纤;细芯光敏光纤;纤芯失配;温度和应变传感器中图分类号：TN929.il文献标志码：B DOI:10.14139/22-122&2020.06.001光纤传感器因其结构简单、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰和成本低等优点，被广泛应用于温度⑴、折射率⑵、压力⑶、应变⑷、扭转⑸等外界物理量的测量。

其中光纤温度、应变传感器因其在航天航空、工业生产、安全监测等领域都具有广阔的应用前景，因此得到了广泛的研究。

光子晶体在传感器中的应用在科技的快速发展和创新的推动下，传感器被广泛运用于各个领域，包括气体、液体和固体的探测和测量。

而随着材料科学和光学技术的进步，光子晶体逐渐成为传感器领域的一种新的材料。

光子晶体的独特结构和光学性质使其具有很高的灵敏度和选择性，适用于温度、湿度、压力、化学物质等多种环境参数的检测和传感。

本文将探讨光子晶体在传感器中的应用和前景。

一、光子晶体的结构和特性光子晶体是一种周期性的介质结构，由不同折射率的介质构成。

这种介质层间的周期性结构可以选择性地反射特定波长的光线，形成所谓的布拉格反射。

光子晶体的反射性质取决于其周期和介质的折射率差异，因此可以通过调整它们来控制反射光的波长。

此外，光子晶体还具有色散效应，随着入射光的波长变化，反射光的波长也会发生变化。

这些特性使光子晶体成为一种有利的光学材料，适用于制造微型波长选择器、传感器等。

二、光子晶体具有很高的灵敏度、选择性和实时响应等特性，因此成功地应用于化学物质、生物体和环境参数的探测和传感，如温度、湿度、压力、溶解氧、酸碱度等。

下文我们将以温度、湿度、压力三种环境参数的检测为例，探讨光子晶体在传感器中的应用和相关技术细节。

1. 光子晶体温度传感器温度传感器是一种用于检测温度变化的设备。

光子晶体温度传感器采用光纤布拉格光栅的技术，将光纤绕在光子晶体薄膜上进行制备，通过光的波长来识别温度的变化。

当温度升高时，光子晶体膨胀导致光学路径长度的变化，导致反射波长发生变化，从而实现温度的检测。

光子晶体温度传感器具有非常高的温度稳定性、可见光域的性能和快速响应速度，有望在实际应用中发挥更大的作用。

2. 光子晶体湿度传感器湿度传感器是一种用于测量空气中水蒸气含量的设备。

光子晶体湿度传感器采用介质超构光栅（Distributed Bragg Reflector，DBR）的技术，既灵敏又准确地测量大气中的水分子。

这种传感器可以通过测量反射光（布拉格反射）的强度和谐振波长来实现湿度的检测。

光子晶体技术在传感器中的应用光子晶体技术是当今科技领域中一项非常重要的成果。

光子晶体是一种由晶体结构排列出来的折射率分层体系，通过改变不同层的折射率可以控制光的传播。

利用光子晶体技术可以制造出高灵敏度和高分辨率的物理传感器，用来检测物质的物理量，如温度、压力、光照强度等。

在传统的光学传感器中，光线通过一个透明介质射到目标物表面上，然后反射回来，经过阅读器测量反射光的强度。

这种传感器的问题在于其测量精度受到很多因素影响，如环境温度、光源光照强度和光学元件的制造精度等。

为了解决这些问题，科学家们开始研究光子晶体传感器技术。

光子晶体传感器是利用光子晶体结构中的布里渊散射效应来检测物质变化的传感器，具有很高的灵敏度。

它包括一个光源、入射光导波管、光子晶体结构、传感物体及接收光电器件等。

当入射光经过光子晶体结构时，光子晶体的周期性结构会导致光子之间的相互作用，这种相互作用可以在不同的方向上散射出光线。

当传感物体与光子晶体发生相互作用时，光子晶体的周期性结构会发生变化，从而引起布里渊散射的变化。

最后，根据光电探测器得到的信号来判断物理量的变化，从而实现对物理量的检测。

在光子晶体传感器中，光子晶体结构是起到重要作用的关键部分。

光子晶体结构在不同方向上会表现出不同的光学性质，具有非常高的带隙，可以控制不同频率的光是否能够通过结构。

因此，光子晶体结构的设计和制造是其中非常重要的环节。

早期的光子晶体结构主要是通过手工制造的，但是由于手工制造的精度和效率都有限，因此现在在制造光子晶体结构的过程中大多采用微电子加工的技术。

微电子加工技术能够制造出高精度、高灵敏度的光子晶体结构，大大提高了光子晶体传感器的性能和品质。

光子晶体技术在传感器中的应用非常广泛，包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、声音传感器、生化传感器等。

其中，生化传感器是现在应用最广泛的一种光子晶体传感器。

生化传感器的工作原理是利用生物分子与光子晶体之间的相互作用，实现对细胞、DNA、蛋白等生物样品的检测和分析。

光子晶体光纤温度传感器的研究与应用光纤温度传感器是一种遥测温度的器件，在工业、科学、医学等领域应用广泛，可以实现长距离的温度测量，具有分布式实时测量、无电磁干扰、抗辐射、高灵敏度、快速响应等优点。

其中，光子晶体光纤温度传感器由于具有多孔结构，可以成为一个微型反应室，能够在较小体积中实现高灵敏度、高分辨率的温度测量。

一、光子晶体光纤温度传感器的原理与结构光子晶体光纤温度传感器的结构如图1所示，由一根光子晶体光纤和两个反射镜组成，其中光子晶体光纤是由二氧化硅的芯层和空气的包层交替组成。

它的光学特性是，在特定波长范围内，只有特定频率的光子可在其中传播，其余频率的光子会在芯层和包层界面发生反射。

当有温度场作用于光子晶体光纤时，其空气包层的折射率发生变化，进而改变了芯层的光传输性能，使光子的波长发生漂移。

在一根简单的光纤中，这种漂移是几乎不可见的。

但在光子晶体光纤中，由于其多孔结构，空气包层中的波导模式可以被扩展到空气孔道中，形成强耦合状态，因此漂移可以显著增大。

此时，光子晶体光纤的反射谱将因温度的变化而改变，对应着不同的波长偏移。

因此，这种结构可以实现基于波长测量的温度传感。

二、光子晶体光纤温度传感器的研究进展在光子晶体光纤温度传感器的研究中，波导模式选择和谐波与缺陷等设计问题是关键。

目前，已有很多研究工作报道了光子晶体光纤温度传感器的应用，其中包括：1.基于微纳孔隙的麦克斯韦相互作用型2007年，徐永华等人在《应用物理学快报》上报道了一种基于微纳孔隙的麦克斯韦相互作用型光纤温度传感器，并应用于生物医学领域。

该传感器具有微型化、快速响应、高灵敏度的特点，可以测量0.1°C的温度变化。

2.基于谐波和缺陷的温度传感2010年，纪书磊等人在《光学学报》上报道了一种基于谐波和缺陷的光子晶体光纤温度传感器。

该传感器在制备工艺、实验室成本等方面具有较大优势，并成功应用于工业自动化领域中温度的非接触测量。

3.基于光纤环和波导模式的温度传感2016年，蔡颖等人在《光学学报》上报道了一种基于光纤环和波导模式的光子晶体光纤温度传感器，对于高灵敏度温度测量有很大的应用前景。

第37卷第12期2016年12月东北大学学报（自然科学版）Journal of Northeastern University(Natural Science)Vol.37,No. 12Dec. 2 0 16doi：10. 3969/j.issn. 1005 -3026. 2016.12.004基于酒精选择性填充光子晶体光纤的Sagnac应变传感器胡海峰，李雪刚，周雪，赵勇(东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110819)摘要：提出了一种基于酒精选择性填充光子晶体光纤的新型Sagnac光纤环应变传感器，实现了对微 小应变的髙灵敏度测量.利用酒精对光子晶体光纤的选择性填充使之产生双折射效应，并将已经填充好的光 子晶体光纤嵌人到Sagnac干涉环中，实现了 Sagnac干涉效应.当给光子晶体光纤施加应变时，Sagnac干涉谱 的波峰会随着应变变化而变化，实现对应变的测量.实验结果表明，当微应变在0 ~ 3 958时，测量微应变的灵 敏度能够达到3. 66 pm.同时，本结构具有髙灵敏度、髙稳定性、抗电磁干扰、易于搭建等优点.关键词：光子晶体光纤;Sagnac应变传感器;应变;酒精选择性填充;传感器中图分类号：TP 212. 1文献标志码：A 文章编号：1005 -3026(2016)12 -1688 -04Optic-Fiber Sagnac Strain Sensor Based on Alcohol Selectively-Filling Photonic Crystal FiberHU Hai-feng，LI Xue-gang，ZHOU Xue，ZHAO Yong(School of Information Science &Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China. Corresponding author: ZHAO Yong，E-mail: zhaoyong@)Abstract:A new optic-fiber Sagnac strain sensor based on alcohol fillin g photonic crystal fiber was proposed and demonstrated,by which measuring the minute strain could be achieved.The birefringence o f the photonic crystal fiber (PCF)was produced by alcohol selectively-filling the air holes o f the PCF.And then the alcohol selectively-filling photonic crystal fiber was embedded in the Sagnac loop and the Sagnac interference effect was achieved.Then the peak wavelength of the Sagnac interference spectrum could be changed by strain because the peak wavelength shift was directly proportion to strain change.The micro strain sensitivity is measured to be 3.66 pm in a micro strain range from0 to 3 958.Key words：photonic crystal fib e r;Sagnac strain sensor；strain；alcohol selectively-fillin g；sensor近年来,光纤应变传感器已经应用于工程领 域,并吸引了许多研究者的目光.目前，光纤应变 传感器主要基于光纤光栅[|-3]、长周期光纤光栅[4-6]、马赫增德尔干涉仪[7-|0]、光纤环[||-|2]等.这些结构具有简单的结构，但是也存在一些缺 点,例如光纤光栅需要复杂和昂贵的刻录工艺，需 要C〇2激光或者是U V激光.因此，光纤光栅在 传感领域的应用受到了一定的限制.另外，马赫增 德尔干涉结构也广泛应用在应变测量中,但是此种结构测量应变的灵敏度普遍较低.另一种方案 是使用光纤环测量应变，光纤环又称Sagnac干涉 仪，其结构简单、灵敏度高，因而近几年被广泛研 究，并将其用在光纤传感领域，常被用来进行温 度、应变、角速度等的传感.通常，Sagnac干涉仪 是在一个3 d B耦合器中间熔接一段保偏光纤或 者是高双折射光纤制作而成.近年来基于光子晶 体光纤的Sagnac干涉环被广泛研究[||-|2].但是，现在普遍采用的是光子晶体保偏光纤和光子晶体收稿日期：2016 -05-24基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（61425003);国家自然科学基金资助项目（61273059);流程工业综合自动化国家重点实验室基础科研业务费资助项目（2013ZCX09).作者简介：胡海峰（1984 -)，辽宁辽阳人,东北大学讲师，博士；赵勇（1973 -)，男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师.第12期胡海峰等：基于酒精选择性填充光子晶体光纟纤的Sagnac应变传感器1689双折射光纤,这两种光纤相对于普通的光子晶体光纤具有价格昂贵、生产复杂的劣势.本文提出了一种基于酒精选择性填充光子晶体光纤的Sagnac干涉仪结构，并用于测量应变.这种结构将光子晶体保偏光纤或者光子晶体双折 射光纤替换为经过酒精选择性填充的普通光子晶 体光纤，由于酒精的选择性填充使光子晶体光纤 产生折射率不对称结构，因此内部产生了双折射 特性，进一步形成Sagnac干涉仪，并用于测量应变.1实验原理与分析图1是Sagnac干涉仪应变传感器，Sagnac干 涉仪的一般结构是由光源、光纤回路、光纤耦合器 和光子晶体光纤组成.OSA图1Sagnac干涉系统Fig. 1Sagnac interference system光源发出的光经过耦合器后,被分成顺时针 和逆时针相反方向传播的两束光,所经过的光路 途径相同.当干涉仪不受外力作用或者没有双折 射效应的时候，其中顺逆时针传播的两束光程差 为零,当干涉仪在光纤回路的非中心点的某个位 置受到干扰作用或者使用双折射光纤时,两束光 之间形成了相位差.双折射光纤产生双折射的原 理是光纤的折射率不对称分布.本文中，通过对普 通光子晶体光纤空气孔的酒精选择性填充，形成 光子晶体光纤折射率的不对称分布，如图2所示. 从图中可以看出，已经有明显的折射率不对称 分布.图3是填充酒精之后的光子晶体的模式分布 图，图3a是圪模式的分布图，其有效折射率为 1.446 296,图2b是模式的分布图，其有效折 射率为1.446 299 ,^#£y,可以得出，填充酒精之 后的光子晶体光纤能够产生双折射效应.忽略光纤Sagnac环的插入损耗，光纤环的透 射谱可以描述为X/|xm X/|xm图2光子晶体光纤酒精填充前后折射率分布图Fig. 2 Refractive index profile of the PCF beforealcohol filling and after alcohol filling(a)—酒精填充前；（b)—酒精填充后.-60 -20 20 60 -60 -20 20 60°X/(xm X/(xm图3光子晶体光纤模式分布图Fig. 3 Modes distribution of the alcohol filling PCF(a)—模式；（b)—'模式.r= [1 -cos⑷]/2 •(1)其中:少=2nLS/A为干涉环的相位差;L为光子 晶体光纤的长度;S为光子晶体光纤的双折射值;A 为工作波长•不同波峰之间的距离^可以描述为S= X:L.(2)当光子晶体光纤的应变发生改变时,双折射 值B发生变化，因此,相位差也随之变化，如 式（3)所示：Aip=2nLAB/A .(3)相位差的变化,进一步因此输出光谱波长的 变化，如式(4)所示：AA = SAip/(2n).(4)根据式(2) ~式（4),可以得出，Sagnac干涉 谱会随着施加应变的变化而变化•因此Sagnac干 涉仪可以用于测量应变.2实验结果与讨论在实验中，使用一段20 c m长的光子晶体光 纤被,但是由于普通光子晶体光纤的折射率差是 对称分布的，因此不能产生双折射效应•在本文 中，为了实现光子晶体光纤的折射率不对称特性, 将光子晶体光纤的部分空气孔进行塌陷，如图4 所示,之后使用空气加压法,将酒精填充进光子晶 体光纤中，由于光子晶体光纤空气孔的不对称塌 陷，只能使酒精填充进部分空气孔,进而形成光子1690东北大学学报（自然科学版)第37卷1530 15401550 1560 1570X /nm图5 Sagnac 干涉环透射光谱Transmission spectrum of the Sagnac interference loop1520 1530 15401550 1560 1570A/nm图6不同微应变时的Sagnac 干涉环的透射光谱 Fig. 6 Transmission spectra of Sagnac interferenceloop with different micro strain从图6可以看出，当微应变量从0变化到 3 958时,透射光谱发生了明显的移动，其波谷一共移动了 13. 5 nm .图7为透射光谱波谷的波长 与应变值的拟合直线，从图7可以得出，基于酒精 选择性填充的Sagnac 干涉环测量微应变的灵每敏 度能够达到3. 66 pm .1.558 1.5561.554 1.552 J.1.550 ^ 1.548 1.546 1.544 1.5420 1.0 2.0 3.0 4.0ex 105图7透射光谱波长与应变值的拟合直线Fig. 7 Fitting line of the spectra wavelength and strain(下转第1709页）晶体光纤非对称的折射率分布.通过控制放电次 数，可以控制光子晶体光纤中酒精填充的量，如图 4a ~4d 所示，分别是放电2次、5次、8次和11次 的显微镜图.从图4中可以看出，当放电2次时并 没有发生明显塌陷，当放电次数为5次时出现明 显塌陷，并且是不对称的,当放电次数为8次时空 气孔已经全部塌陷，当放电次数为11次时，塌陷 区明显增长.由原理分析可知，为了使光子晶体光 纤能够产生双折射效应，应使光子晶体光纤的空 气孔进行不对称塌陷，并将酒精填充到未进行塌 陷的空气孔内，形成光子晶体光纤的折射率的不 对称分布.由图4可知，当放电次数为5次时,光 子晶体光纤的部分空气孔塌陷，因此在实验中应 将放电次数控制在5次左右.之后将酒精选择性填充的光子晶体光纤与单 模光纤进行熔接，如图4 e 所示，并将其嵌入到Sagnac 干涉环中，系统如图1所示.(a )(b )图4光子晶体光纤塌陷区显微镜图Fig. 4 Microscope figures of the PCF collapsedarea(a )—放电2次；（b )—放电5次；(c )一放电8次；（d )—放电11次；(e )—光子晶体光纤与单模光纤熔接.图5是基于酒精选择性填充光子晶体光纤的Sagnac 干涉环在1 520 ~ 1 570 n m 范围的透射光谱，其中插图为无光子晶体光纤时的光谱.从图5 可以看出，干涉谱具有良好的消光比，其干涉深度达到20 d B ，其波谷在1 542. 76 n m 处.由于此系 统使用的是宽谱光源，而没有使用偏振器，此传感 系统的输出光谱是稳定的.在实验中，将光子晶体光纤的两端分别固定 在两个微位移平台上，并通过调整微位移平台给 光子晶体光纤施加应变，图6是不同应变值时的Sagnac 干涉环的透射光谱.■195o1 25 o23_I日ei第12期鲍楠等：基于序列特性的胸部标记物自动分割1709[3] Wang M, Song Z. 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专利名称：温度传感光子晶体光纤
专利类型：发明专利
发明人：张克非,余明芯,马小翠,朱虹茜,张煜熔申请号：CN201911044038.8
申请日：20191030
公开号：CN110687629A
公开日：
20200114
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种温度传感光子晶体光纤，包括背景材料，以及置于背景材料中的外包层、纤芯、椭圆孔结构、小圆形空气孔结构、大圆形空气孔结构；本发明的温度传感光子晶体光纤，提高温度灵敏度，增大温度传感范围；通过设计新型的光子晶体光纤结构﹑选用合适温敏材料甲苯，实现了高灵敏度﹑更广范围的温度传感效果；消除传统光纤温度传感器存在的偏振态漂移、模间干扰等问题；采用双芯结构的温度传感光纤，可对该类问题起到抑制作用，以达到更好的温度测量效果。

申请人：西南科技大学
地址：621000 四川省绵阳市涪城区青龙大道中段59号
国籍：CN
代理机构：北京天奇智新知识产权代理有限公司
代理人：叶明博
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