一种乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器的制作方法

1.本实用新型涉及光纤传感器领域，特别涉及一种乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器。


背景技术：

2.光纤作为新一代的传输介质已经广泛用于信息传输以及传感领域。目前，光纤传感器已经被用来进行多种物理量的传感。例如，温度，折射率，压力等。在上述传感器中，温度传感器在人们的日常的生活和生产扮演者不可或缺的角色。目前，人们利用光纤进行温度传感的方式主要有：
3.基于传统光纤，将传统光纤进行拉锥或把光纤的包层磨薄，为了使纤芯和外界环境的接触更加充分。这样外界环境就会剧烈地影响纤芯中模式的传输，而不同的温度对光纤模式的传输的影响又不同，据此，进而实现对温度的传感。但此种情况，会使得光纤变得极其脆弱，容易断裂。
4.基于光子晶体光纤，光子晶体光纤是包层含有周期性排布的微结构孔的光纤。根据其导光原理可分为全内反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。全内反射型光子晶体光纤由于包层含有微结构孔，其纤芯是由缺失的空气孔形成的，其包层的平均折射率低于纤芯的折射率，使得光可以在纤芯中传播。光子带隙型光子晶体光纤的导光机制是光子带隙效应，其包层中含有密集且严格排列的空气孔组成，形成光子能带效应，通过中心引入缺陷态(一般为大的空气孔)，可以使得某些处于包层的光子带隙中的光可以在中心的空气孔中传播。但是由于光子晶体光纤结构极其复杂，其空气孔通常有成百上千个，且空气孔的直径通常只有几微米，因此光子晶体光纤的加工比较困难，且成功率很低。
5.光纤光栅，光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的。光栅周期和光栅区域的有效折射率会受到外界环境的影响，根据此原理，光纤光栅也可以进行温度传感。但是光纤光栅的温度灵敏度一般很低。


技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器，以至少解决上述提到的技术问题之一，具体如下。
7.一种乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器，包括：包层区和纤芯区；所述包层区包括均匀排布的8个椭圆石英管，所述椭圆形石英玻璃管内长轴为d1，短轴为d2；所述椭圆形石英玻璃管厚度均为t；相邻所述椭圆形石英玻璃管之间夹角为44.5～45.5度；其中，6个所述椭圆形石英玻璃管填充材料为乙醇，2个所述椭圆形石英玻璃管填充材料为金；2个填充金的所述椭圆形石英玻璃管之间间隔3个填充乙醇的所述椭圆形石英玻璃管，2个填充金的所述椭圆形石英玻璃管的中心与光纤的圆心在一条直线上；所述纤芯区为8个所述椭圆形石英玻璃管所围成的区域。所述传感器的损耗峰所在的波长位置y和对应温度x的线性拟合方程满足如下关系：y＝0.00303x+1.52605。
8.可选的，所述线性拟合方程的拟合度r2为0.99889。
9.可选的，所述椭圆形石英玻璃管内长轴为d1的范围为：34μm～36μm。
10.可选的，所述椭圆形石英玻璃管内短轴d2的范围为：20μm～22μm。
11.可选的，所述椭圆形石英玻璃管厚度t的范围为：0.4μm～0.6μm。
12.可选的，所述椭圆形石英玻璃管厚度t的范围为：0.4μm～0.6μm。
13.可选的，相邻所述椭圆形石英玻璃管之间夹角为45度。
14.可选的，光纤半径r的范围为：69μm～71μm。
15.可选的，所述纤芯区填充材料为乙醇。
16.本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：
17.本实用新型提供一种乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器，包括均匀排布的8个椭圆石英管，相邻所述椭圆形石英玻璃管之间夹角为44.5～45.5度；6个所述椭圆形石英玻璃管填充材料为乙醇，2个所述椭圆形石英玻璃管填充材料为金。该传感器所测范围为20℃到70℃，灵敏度达到了3.03nm/℃。温度与波长有良好的线性关系，拟合度r2达到了0.99889。在测温度范围内只用纤芯模式的x偏振态传感，避免了实际应用中的芯模的y偏振态对传感结果的干扰。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
19.图1是本实用新型的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器的截面图。
20.图2是本实用新型的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器在20℃时候有效折射率随波长的变化关系图。
21.图3是本实用新型的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器在20℃时候损耗随波长的变化关系图。
22.图4是本实用新型的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器在20℃
‑
70℃的时候损耗和波长的关系图。
23.图5是本实用新型的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器损耗峰的波长位置随温度的线性拟合图。
24.图1中，1
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8为8个椭圆形石英玻璃管，其厚均度为t，其内部长轴长度均为d1，内部短轴长度均为d2。其中椭圆形石英玻璃管4和8的内部均填充了金，且金完全填满了4和8的内部。椭圆形石英玻璃管1，2，3，5，6，7的内部和整个光纤内部的其余部分(图1中的9)均完全填充满乙醇。
具体实施方式
25.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提
下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.如图1所示，一种乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器，包括：包层区和纤芯区；所述包层区包括均匀排布的8个椭圆石英管，所述椭圆形石英玻璃管内长轴为d1，短轴为d2；所述椭圆形石英玻璃管厚度均为t；相邻所述椭圆形石英玻璃管之间夹角为44.5～45.5度；其中，6个所述椭圆形石英玻璃管填充材料为乙醇，2个所述椭圆形石英玻璃管填充材料为金；2个填充金的所述椭圆形石英玻璃管之间间隔3个填充乙醇的所述椭圆形石英玻璃管，2个填充金的所述椭圆形石英玻璃管的中心与光纤的圆心在一条直线上；所述纤芯区为8个所述椭圆形石英玻璃管所围成的区域。
27.可选的，所述椭圆形石英玻璃管内长轴为d1的范围为：34μm～36μm。所述椭圆形石英玻璃管内短轴d2的范围为：20μm～22μm。在此数值范围内对椭圆形石英玻璃管取值，会使传感器具有较强的灵敏度，能够准确的探测出温度的变化，灵敏度达到了3.03nm/℃。
28.所述椭圆形石英玻璃管厚度t的范围为：0.4μm～0.6μm。在此数值范围内对椭圆形石英玻璃管取值，会使传感器具有较强的灵敏度，能够准确的探测出温度的变化，灵敏度达到了3.03nm/℃。
29.相邻所述椭圆形石英玻璃管之间夹角为45度。在此数值范围内对椭圆形石英玻璃管取值，会使传感器具有较强的灵敏度，能够准确的探测出温度的变化，灵敏度达到了3.03nm/℃。
30.光纤半径r的范围为：69μm～71μm。在此数值范围内对光纤半径取值，能够有效的接收入射光，并使其偏振基膜在光纤纤芯处传播，有利于对光信号携带的温度信号进行探测。
31.本实用新型提供一种乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器，包括均匀排布的8个椭圆石英管，相邻所述椭圆形石英玻璃管之间夹角为44.5～45.5度；6个所述椭圆形石英玻璃管填充材料为乙醇，2个所述椭圆形石英玻璃管填充材料为金。该传感器所测范围为20℃到70℃，灵敏度达到了3.03nm/℃。温度与波长有良好的线性关系，拟合参数r2达到了0.99889。在测温度范围内只用纤芯模式的x偏振态传感，避免了实际应用中的芯模的y偏振态对传感结果的干扰。
32.如图1所示，1
‑
8为8个椭圆形石英玻璃管。其中椭圆形石英玻璃管4和8的内部均填充了金，例如金丝，且金丝完全填满了4和8的内部。椭圆形石英玻璃管1，2，3，5，6，7的内部和整个光纤内部的其余部分9均完全填充满乙醇。纤芯区域为椭圆形石英玻璃管1
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8的共同所围成的中心区域。因为乙醇的折射率在所测范围内是低于石英折射率的，因此，光纤的导光机制不是全内反射。此温度传感器也没有光子带隙结构，因此也不是光子带隙的导光机制。此温度传感器的导光机制为反谐振。椭圆形石英玻璃管4和8的内部均填满了金，当光射入光纤中，4和8会分别产生各自的表面等离子模式，根据耦合模理论，4和8中各自的表面等离子模式之间会发生模式耦合效，从而应形成表面等离子超模。又因为4和8为椭圆形，其形成的表面等离子超模又有高双折射特性。而纤芯模式的双折射很小，因此在所测范围内，只有纤芯模式的x偏振态和表面等离子超模发生了spr效应。
33.其中spr为表面等离子体共振(surface plasmon resonance，spr)，是一种敏感的表面分析技术，是通过分子吸附在重金属膜上引起介电常数的变化来进行检测的。
34.因此，在此光纤中一共有2种导光机制，分别是纤芯基模的反谐振机制，以及4和8
中各自的表面等离子体模式共同形成的表面等离子体超模的导光机制。
35.图2是本实用新型的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器在20℃时候为例，纤芯基模x偏振态和y偏振态的模式和表面等离子体超模的折射率随波长的变化关系图。由图2可知，在所测波长范围内y偏振态模式的有效折射率没有和0阶表面等离子体超模发生spr效应，而x偏振态模式的有效折射率和0阶表面等离子体超模在波长为1.584微米处与发生了spr效应。其他温度的情况与20℃时机理相同，只是发生spr效应时的波长发生了变化。
36.图3是本实用新型的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器在20℃时候为例，纤芯基模x偏振态和y偏振态的模式的损耗随波长的变化关系图。由图3可知x偏振态模式在波长为1.584微米处出现了损耗峰，而y偏振态模式的损耗很低。图2和图3形成相互照应的关系。其他温度的情况与20℃时机理相同，只是损耗峰所在的波长位置发生了变化。
37.图4是本实用新型的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器在20℃
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70℃的时候损耗和波长的关系。随着温度的升高，损耗峰发生红移，且损耗增加。
38.图5是本实用新型的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器时候损耗峰的波长位置随温度的线性拟合图。将图4和图5形成相互照应的关系。由图5可知，本温度传感器，损耗峰所在的波长位置和对应温度的线性拟合方程结果为y＝0.00303x+1.52605，x表示温度，y表示损耗峰所在的波长值，其斜率代表光纤的灵敏度为0.00303μm/℃(3.03nm/℃)，其中拟合参数r2达到了0.99889，代表了线性度很好。
39.作为代表性的乙醇填充负曲率光纤单偏振温度传感器，实施示例如下：
40.实施例一：8个椭圆形石英玻璃管内长半轴为d1＝34μm。8个椭圆形石英玻璃管内短半轴为d2＝20μm。8个椭圆形石英玻璃管厚度t＝0.4μm。8个椭圆形石英玻璃之间相邻管环之间夹角为44.5度。光纤半径r＝69μm。
41.实施例二：8个椭圆形石英玻璃管内长半轴为d1＝36μm。8个椭圆形石英玻璃管内短半轴为d2＝22μm。8个椭圆形石英玻璃管厚度t＝0.6μm。8个椭圆形石英玻璃之间相邻管环之间夹角为45.5度。光纤半径r＝71μm。
42.实施例三：8个椭圆形石英玻璃管内长半轴为d1＝35μm。8个椭圆形石英玻璃管内短半轴为d2＝21μm。8个椭圆形石英玻璃管厚度t＝0.5μm。8个椭圆形石英玻璃之间相邻管环之间夹角为45度。光纤半径r＝70μm。
43.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
44.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。