一种利用正交偏振模双峰反射谱的光子晶体光纤光栅的压力传感方法

摘要

一种利用正交偏振模双峰反射谱的光子晶体光纤光栅的压力传感方法，属于光子晶体光纤光栅传感领域。解决现有光纤光栅传感无法实现测量横向应力的问题。光源射出的光经耦合器耦合后入射至已施加垂直于光子晶体光纤光栅的外力F的光子晶体光纤光栅，光子晶体光纤光栅产生反射光，光子晶体光纤光栅为偏振相关的光栅，反射光在正交偏振方向上出现光谱差异，即出现反射谱双峰曲线，光子晶体光纤光栅受横向压力时，包层材料内应力使得材料在受力方向和垂直受力方向出现偏振特性差异，光反射谱双峰发生移动，同时双峰间距变化，反射光经过光电转换器转变为电信号；检测分析仪根据传感信号换算出横向压力传感量值。主要应用在压力传感领域。

主权项

一种利用正交偏振模双峰反射谱的光子晶体光纤光栅的压力传感方法，该方法的具体过程为：光源(1)射出的光经耦合器(2)耦合后入射至已施加垂直于光子晶体光纤光栅(3)的外力F的光子晶体光纤光栅(3)，光子晶体光纤光栅(3)产生反射光，该反射光经耦合器(2)耦合后发送至光电转换器(4)，经光电转换器(4)输出的电信号发送至检测分析仪器(5)；检测分析仪器(5)获取外力F的值的具体过程如下：施加垂直于光子晶体光纤光栅(3)的外力F时，反射谱双峰间距变化量△λ为，$\Delta \lambda ={\left(\frac{{\mathrm{d\lambda }}_b}{{\lambda }_b}\right)}_x-{\left(\frac{{\mathrm{d\lambda }}_b}{{\lambda }_b}\right)}_y=[K_x\left(ϵ\right)-K_y\left(ϵ\right)]ϵ$        (公式一)，应力ε与外力F存在如下关系，F＝σε       (公式二)，公式一和公式二联立获得外力F的值，$F=\frac{\Delta \lambda }{[K_x\left(ϵ\right)-K_y\left(ϵ\right)]}·\sigma$     (公式三)，其中，外力F的方向定义为x方向，与外力F相垂直的方向定义为y方向，σ为关联系数，表示x方向振动的偏振模的反射峰移动量，表示y方向振动的偏振模的反射峰移动量，K_x(ε)表示x方向光子晶体光纤光栅(3)的灵敏度系数变化量，K_y(ε)表示y方向光子晶体光纤光栅(3)的灵敏度系数变化量；其特征在于，所述的K_x(ε)和K_y(ε)的求取过程为，光子晶体光纤光栅(3)受外力F情况下，反射光波长变化量如下，$\frac{{\mathrm{d\lambda }}_b}{{\lambda }_b}=\frac{{\mathrm{dn}}_{co}}{n_{co}-n_{cl}}-\frac{{\mathrm{dn}}_{cl}}{n_{co}-n_{cl}}+\frac{d\Lambda }{\Lambda }$       (公式四)，光纤在单轴弹性形变下，且基模有效折射率变化量和包层模的折射率变化量分别如下述公式五和六：$\frac{{\mathrm{dn}}_{co}}{n_{co}}=-\frac{n_{co}^2}{2}[p_{12}-\nu (p_{11}+p_{12})]ϵ$       (公式五)，$\frac{{\mathrm{dn}}_{cl}}{n_{cl}}=-\frac{n_{cl}^2}{2}[p_{12}-\nu (p_{11}+p_{12})]ϵ$       (公式六)，公式四、五和六联立获得公式七，公式七如下：$\frac{{\mathrm{d\lambda }}_b}{{\lambda }_b}=ϵ\left(1-\frac{n_{co}^2}{2}\frac{n_{co}}{n_{co}-n_{cl}}\left[p_{12}-\nu \left(p_{11}+p_{12}\right)\right]-\frac{n_{cl}^2}{2}\frac{n_{cl}}{n_{co}-n_{cl}}\left[p_{12}-\nu \left(p_{11}+p_{12}\right)\right]\right)=K_sϵ,$即：$K_s=1-\frac{n_{co}^2}{2}\frac{n_{co}}{n_{co}-n_{cl}}[p_{12}-\nu (p_{11}+p_{12})]-\frac{n_{cl}^2}{2}\frac{n_{cl}}{n_{co}-n_{cl}}[p_{12}-\nu (p_{11}+p_{12})]$     (公式八)，由公式八获得，x方向光子晶体光纤光栅(3)的灵敏度系数变化量K_x(ε)和y方向光子晶体光纤光栅(3)的灵敏度系数变化量K_y(ε)，其中，$K_x\left(ϵ\right)=(1-\frac{n_{co,x}^2}{2}\frac{n_{co,x}}{n_{co,x}-n_{cl,x}}[p_{12}-\nu (p_{11}+p_{12})]-\frac{n_{cl,x}^2}{2}\frac{n_{cl,x}}{n_{co,x}-n_{cl,x}}[p_{12}-\nu (p_{11}+p_{12})\left]\right)$  (公式九)$K_y\left(ϵ\right)=(1-\frac{n_{co,y}^2}{2}\frac{n_{co,y}}{n_{co,y}-n_{cl,y}}[p_{12}-\nu (p_{11}+p_{12})]-\frac{n_{cl,y}^2}{2}\frac{n_{cl,y}}{n_{co,y}-n_{cl,y}}[p_{12}-\nu (p_{11}+p_{12})\left]\right)$ (公式十)K_s为光子晶体光纤光栅与基模耦合时反射谱的谐振波长变化与应力ε的关系系数，p₁₂和p₁₁为弹光系数，ν为泊松比，n_co为基模有效折射率，n_cl为包层模的折射率，n_co,x为x方向基模有效折射率，n_cl,x为x方向包层模的折射率，n_co,y为y方向上基模有效折射率，n_cl,y为y方向上包层模的折射率，λ_b表示光子晶体光纤光栅反射峰中心波长，Λ表示光纤光栅常数。