基于光子晶体光纤长周期光栅的微位移传感方法及装置

摘要

本发明涉及基于光子晶体光纤长周期光栅的微位移传感方法及装置。其特征在于包括一个宽带光源、一根光子晶体长周期光纤光栅、一根普通单模光纤、两个内套管、一个外套管和一个光谱仪；光子晶体光纤长周期光栅和单模光纤的末端端面平整切割并置于内套管；光子晶体光纤长周期光栅可以沿内套管移动，单模光纤粘结于内套管内，光子晶体光纤长周期光栅和单模光纤的末端端面形成长度可改变的空气腔；光子晶体光纤长周期光栅的尾纤粘结固定于另外一个具有相同内径的内套管内；两个内套管置于一个外套管内，粘结单模光纤的内套管与外套管粘结固定，粘结光子晶体光纤长周期光栅的内套管可以沿外套管移动；光子晶体光纤长周期光栅的另一端与宽带光源的输出端连接，单模光纤的另一端与光谱仪的输入端连接。光经过光子晶体光纤长周期光纤光栅后激发纤芯模和包层模，经过空气腔的调制，使得谐振波长的漂移与腔长成线性关系且灵敏度高，通过监测波长漂移即可解调出位移改变量。为了克服现有技术中普通光纤光栅位移传感器结构复杂、灵敏度不高不能实现对微位移测量的问题，本发明提出了一种结构简单、体积小、灵敏度高及对温度不敏感的光子晶体光纤长周期光栅微位移传感方法及装置。

主权项

1.基于光子晶体光纤长周期光栅的微位移传感方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤(1)选择一个输出波长为1500nm至1600nm的宽带光源，一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱仪，一根在光子晶体光纤上刻写的长周期光栅，一根单模光纤，两个内套管，一个外套管；步骤(2)将光子晶体光纤长周期光栅栅区末端端面平整切割，与单模光纤一端端面平整切割的末端置于一个内径为126～127μm的内套管以便准直，光子晶体光纤长周期光栅可以沿内套管自由移动，单模光纤粘结固定于内套管内，二者构成一个腔长可变的空气腔，光子晶体光纤长周期光栅的尾纤置于另外一个具有相同内径的内套管内并粘结固定，两个内套管置于一个外套管内，粘结单模光纤的内套管与外套管粘结固定，粘结光子晶体光纤长周期光栅的内套管可以沿外套管自由移动，光子晶体光纤长周期光栅的另一端与与宽带光源的输出端连接，单模光纤的另一端与光谱仪的输入端连接；步骤(3)将步骤(2)中外套管和光子晶体光纤长周期光栅尾纤上的内套管分别粘结在参考点和待测点，光在光纤中传播并经过光子晶体光纤长周期光栅的作用，激发出纤芯模和包层模：$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{co}}\left(L\right)=\exp \left(i({\beta }_{\mathrm{co}}-\frac{1}{2}\Delta {\beta }^v)L\right)[a_{\mathrm{co}}\left(0\right)(\cos \mathrm{sL}+i\frac{\Delta {\beta }^v}{2s}\sin \mathrm{sL})+a_{\mathrm{cl}}^v\left(0\right)\frac{\mathrm{i\kappa }}{s}\sin \mathrm{sL}]\\ a_{\mathrm{cl}}^v\left(L\right)=\exp \left(i({\beta }_{\mathrm{cl}}^v-\frac{1}{2}\Delta {\beta }^v)L\right)[a_{\mathrm{co}}\left(0\right)\frac{\mathrm{i\kappa }*}{s}\sin \mathrm{sL}+a_{\mathrm{cl}}^v\left(0\right)(\cos \mathrm{sL}-i\frac{\Delta {\beta }^v}{2s}\sin \mathrm{sL})]\end{array}\right.$其中a_co(L)、分别为传输过光栅长度L处纤芯模振幅和包层模振幅，两个模式同时进入空气腔，经过空气腔的调制后进入到单模光纤中继续传输，在传输过程中由于传输损耗包层模消失，只有纤芯模继续传输：$\left[a_{\mathrm{co}}\right]=[e^{i·f}/\alpha -\alpha ·r_{\mathrm{gap}}^2·e^{-i·f}-r_{\mathrm{gap}}·e^{i·f}/\alpha +\alpha ·r_{\mathrm{gap}}·e^{-i·f}]/t_{\mathrm{gap}}^2·\left[a_{\mathrm{co}}\left(L\right)\right]$上式中是一个周期因子使得传输谱具有周期性，其中为空气腔调解的相位因子，L_gap＝L_gapo+ΔL_gap为空气腔的腔长，在透射谱里对应最小极值的波长为谐振波长，通过求导可以得到谐振波长与微位移的关系：$\lambda =\frac{{\mathrm{\Delta L}}_{\mathrm{gap}}}{C}+\frac{2{\mathrm{\pi n}}_{\mathrm{gap}}{L}_{\mathrm{gap}0}}{C}$通过监测谐振波长的移动可以实现对微位移的传感。