一种基于液晶填充微结构光纤的Sagnac干涉温度传感器的制作方法

本发明涉及一种液晶填充微结构光纤的sagnac干涉温度传感器，该sagnac干涉温度传感器可用于高灵敏度温度测量，属于光纤传感技术领域。

背景技术

由于具有对电磁波免疫，高灵敏度，抗腐蚀，易于远程控制等优点，光纤被用来测量和监控物理量的变化。通过对传统光纤进行改造，如把光纤抛光成d型结构或者紫外光周期性照射制作成光栅等，可以增强光纤纤芯传输模式与覆盖在光纤周围外场敏感材料中的缺陷传输模式之间的耦合，实现对外界物理场的测量。

微结构光纤中包层空气孔的存在，为功能材料在光纤空气孔中的填充提供了天然通道，相比于传统光纤具有了更灵活的结构设计和材料填充方式，有利于进一步提高测量灵敏度和拓展光纤的应用范围。包层填充功能材料的微结构光纤，其光传输特性同时又受到了外场调制的功能材料的影响，为探究光与物质的相互作用机制，研制新型高灵敏光纤传感提供了重要途径。

将功能材料填充的微结构光纤融合到sagnac干涉仪中，利用外场调制填充材料折射率的物理特性，改变微结构光纤的双折射，引起sagnac干涉条纹的移动，从而可以实现传感测量。2012年chun-liuzhao等将酒精填充的石英基双折射微结构光纤接入到sagnac干涉仪中，测量温度范围为32-64℃，获得的温度测量灵敏度为-1.17nm/℃。2017年erickreyes-vera等将金属丝铟填充包层外两个侧面大孔的石英微结构光纤接入到sagnac干涉仪中，测量温度范围为22.4℃–46℃时获得的温度测量灵敏度达-9.0nm/℃。

目前，基于微结构光纤sagnac干涉仪的光纤背景材料均为石英，同时为保持纤芯模传输为折射率引导，填充材料的折射率一般需小于石英。折射率大于石英的诸多功能材料，如向列相液晶e7等，填充到微结构光纤包层空气孔中会导致纤芯模传输模式由折射率引导型变成带隙型，不利于实现线性、高灵敏度的微结构光纤sagnac干涉传感。2012年yifanzhang等将液晶e7填充的石英基微结构光纤接入到sagnac干涉仪中，在30-91℃的温度范围内干涉波谷波长与温度不满足线性关系，光纤长度为66mm时温度测量平均灵敏度低于0.3nm/℃。2017年tingtinghan等将液晶选择填充的石英基微结构光纤接入到sagnac干涉仪中，利用带隙的温度调谐实现了温度测量，在37-56℃的温度范围内干涉波谷波长与温度之间不满足线性关系，在温度为47.2℃度时灵敏度为-41nm/℃。在其他温度点灵敏度显著降低，55℃度时灵敏度为-6nm/℃。

技术实现要素：

软玻璃材料如铅硅酸盐玻璃，碲酸盐玻璃，硫系玻璃等为背景材料制作的微结构光纤，其有效折射率可以大于液晶，在其气孔中填充液晶后微结构光纤依然保持为折射率引导。将其接入到sagnac干涉仪中，有利于实现结构更加灵活，线性度好、灵敏度更高的传感器。

本发明要解决的技术问题是通过研究向列相液晶e7填充的铅硅酸盐玻璃sf57微结构光纤在不同光纤空气孔大小、空气孔间距以及微结构光纤长度等参数下的模式双折射特性随温度的变化关系，设计出基于该微结构光纤的高灵敏度sagnac干涉温度传感器。

本发明的目的是提供一种液晶填充微结构光纤的sagnac干涉温度传感器。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现。

一种基于液晶填充微结构光纤的sagnac干涉温度传感器，包括宽带光源bbs、3db耦合器、偏振控制器pc、微结构光纤mof、平板电极及其电源和光谱仪osa；宽带光源bbs输出激光到3db耦合器，3db耦合器将宽带光源bbs输出的激光等分成沿顺时针方向和逆时针方向传播的两束线偏振光，偏振控制器pc使这两束线偏振光的偏振方向旋转90度；微结构光纤mof连接到sagnac光路中，在微结构光纤mof两侧设置有由电源供电的平行平板电极，平行平板电极产生的电场使液晶分子沿电场方向取向，致使沿顺时针和逆时针方向传播的两束光在3db耦合器输出端发生干涉；光谱仪osa用于测量3db耦合器输出的干涉谱；

所述微结构光纤mof背景材料为铅硅酸盐玻璃sf57，包层为正六角形对称气孔结构分布，所有包层气孔具有相同的直径d，气孔间距为λ；全部包层气孔中填充向列相液晶e7；所述微结构光纤mof长度为l。

由于气孔结构对称，所述微结构光纤本身不具有双折射特性。各向异性向列相液晶e7在所有包层气孔中的完全填充使得该微结构光纤具有了双折射特性。温度变化引起液晶e7折射率发生改变，从而使得该微结构光纤的双折射发生变化，导致光谱仪osa测量到的干涉谱发生移动。通过检测干涉谱的波谷波长可以用来测量温度。

sagnac干涉仪的干涉波谷波长与温度之间具有线性关系，并且干涉波长范围和温度测量灵敏度可以通过改变光纤结构参数，如气孔大小，气孔间距，光纤长度等来调节。

作为本发明的一个优选方案，所述微结构光纤mof包层气孔直径d为2.0～2.8μm，气孔间距λ为3.8～4.2μm，长度l为2～6mm。

当包层气孔直径d＝2.0μm，气孔间距λ＝4μm，微结构光纤长度l＝2mm时，测量第一个自由光谱范围fsri内的干涉波谷波长得到的温度灵敏度达15nm/k，测量温度范围为290k-320k；测量第二个自由光谱范围fsrii内的干涉波谷波长得到的温度灵敏度达18nm/k，测量温度范围为290k-310k。

当包层气孔直径增加到2.4μm和2.8μm时，测量第一个自由光谱范围fsri内的干涉波谷波长得到的温度灵敏度分别降低到14.6nm/k和13.5nm/k。当空气孔间距为3.8μm和4.2μm时，测量第一个自由光谱范围fsri内的干涉波谷波长得到的温度灵敏度分别为13.9nm/k和16nm/k。当微结构光纤长度增加到4mm和6mm时，测量第一个自由光谱范围fsri内的干涉波谷波长得到的温度灵敏度分别降低到10.8nm/k和8.8nm/k。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明中采用的sf57微结构光纤包层为对称正六角形气孔分布，结构简单易于拉制。该微结构光纤本身不具有双折射特性。

2、各向异性向列相液晶e7在sf57微结构光纤包层气孔中完全填充，填充方式简单。只需将光纤一端浸入到液晶e7中，利用毛细现象可实现自动填充。sf57微结构光纤在液晶e7填充到了空气孔之后具有了双折射特性，并且其双折射具有温度调谐性。

3、本发明通过改变微结构光纤的结构参数(如气孔直径d，气孔间距λ以及微结构光纤长度l)可实现干涉波长范围和温度测量灵敏度的调节。在d＝2.0～2.8μm，λ＝3.8～4.2μm，l＝2～6mm的范围内，sagnac干涉仪的干涉波谷波长与温度之间均具有线性关系。d＝2.0μm，λ＝4μm，l＝2mm时，第一个自由光谱范围fsri内温度灵敏度达15nm/k。d增加到2.4μm和2.8μm时，灵敏度分别为14.6nm/k和13.5nm/k。λ改变为3.8μm和4.2μm时，灵敏度分别为13.9nm/k和16nm/k。l改变为4mm和6mm时，灵敏度分别为10.8nm/k和8.8nm/k。

附图说明

图1是本发明实施例1的sagnac干涉仪光路示意图；

图2是本发明实施例1的微结构光纤横截面示意图；

图3是本发明实施例1的液晶e7填充sf57微结构光纤随温度变化的纤芯基模色散图；其中的插图(a)为纤芯基模te模的模场分布图，插图(b)为纤芯基模tm模的模场分布图，插图(c)为该微结构光纤色散图的局部放大图，温度由290k间隔5k升高到320k。

图4是本发明实施例1的sagnac干涉仪在不同温度下归一化的输出功率图；

图5是本发明实施例1的波谷波长随温度变化的灵敏度分析图；

图6是本发明实施例2，3在不同气孔直径d时的波谷波长随温度变化的灵敏度分析图；

图7是本发明实施例4，5在不同气孔间距λ时的波谷波长随温度变化的灵敏度分析图；

图8是本发明实施例6，7在不同微结构光纤长度时的波谷波长随温度变化的灵敏度分析图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

在图1所示的本发明实施例1的sagnac干涉仪光路示意图中，宽带激光光源bbs输出激光到3db耦合器，3db耦合器将光等分成顺时针和逆时针传播的两束线偏振光，偏振控制器pc使两束线偏振光偏振旋转90度，向列相液晶e7完全填充的sf57微结构光纤mof连接到sagnac干涉光路中，在微结构光纤两侧的平行平板电极及其电源提供电场使液晶分子沿电场方向取向，光谱仪osa测量3db耦合器输出的干涉谱。在图2所示的微结构光纤结构示意图中，光纤背景材料为铅硅酸盐玻璃sf57，所有气孔填充液晶，填充液晶为各向异性向列相液晶e7。包层三层气孔为正六角形分布，气孔直径d＝2.0μm，气孔间距λ＝4μm，微结构光纤长度l＝2mm。

在图3所示的本发明实施例1的微结构光纤的色散图中，随着波长增大，光纤的两个基模tm模和te模的折射率均降低。当温度由290k升高到320k时，光纤基模tm模折射率逐渐下降，而基模te模折射率基本不变化。te模和tm模场分布保持圆对称高斯分布。

在图4所示的本发明实施例1的sagnac干涉仪归一化输出功率随温度变化的关系图中，可以看出，在同一个温度下干涉仪有几个不同的输出波谷，随着温度由290k升高到320k，干涉仪输出谱波谷逐渐向长波方向移动。

在图5所示的本发明实施例1的干涉谱波谷随温度的变化关系图中，由第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度变化近似满足直线关系，拟合直线得到该干涉仪温度传感器的灵敏度为15nm/k；由第二个自由光谱范围内的干涉波谷随温度变化近似满足直线关系，拟合直线得到该干涉仪温度传感器的灵敏度为18nm/k。利用第一个干涉波谷进行温度传感测量的自由光谱范围(fsri)为290k-320k，利用第二个干涉波谷进行温度传感测量的自由光谱范围(fsrii)为290k-310k。第一个干涉波谷具有更宽的测量范围。

实施例2

本发明实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于气孔直径增加到2.4μm，其第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度的变化关系如图6所示。第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度变化近似满足线性关系，拟合直线得到该干涉仪温度传感器灵敏度为14.6nm/k。

实施例3

本发明实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于气孔直径增加到2.8μm，其第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度的变化关系如图6所示。第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度变化近似满足线性关系，拟合直线得到该干涉仪温度传感器灵敏度为13.5nm/k。

实施例4

本发明实施例4与实施例1基本相同，不同之处在于空气孔间距减小到3.8μm，其第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度的变化关系如图7所示。第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度变化近似满足线性关系，拟合直线得到该干涉仪温度传感器灵敏度为13.9nm/k。

实施例5

本发明实施例5与实施例1基本相同，不同之处在于空气孔间距增大到4.2μm，其第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度的变化关系如图7所示。第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度变化近似满足线性关系，拟合直线得到该干涉仪温度传感器灵敏度为16nm/k。

实施例6

本发明实施例6与实施例1基本相同，不同之处在于微结构光纤长度增大到4mm，其第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度的变化关系如图8所示。第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度变化近似满足线性关系，拟合直线得到该干涉仪温度传感器灵敏度为10.8nm/k。

实施例7

本发明实施例7与实施例1基本相同，不同之处在于微结构光纤长度增大到6mm，其第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度的变化关系如图8所示。第一个自由光谱范围内的干涉波谷随温度变化近似满足线性关系，拟合直线得到该干涉仪温度传感器灵敏度为8.8nm/k。