甘油填充光子晶体光纤的温度传感特性研究.pdf
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1、第 25 卷第 3 期武汉交通职业学院学报2023 年 9 月Vol.25 No.3Journal of Wuhan Technical College of CommunicationsSep.2023-139-收稿日期:2023-08-04基金项目:湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目“亚波长微结构光纤荧光氧传感器的导光机理和性能”(编号:B2021338)。作者简介:程 兰(1986-),女,湖北麻城人,武汉交通职业学院电子信息工程学院讲师,从事物联网应用技术、新型光纤、光纤通讯等研究。甘油填充光子晶体光纤的温度传感特性研究程 兰(武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065)摘 要:文
2、章利用 PCF 独特的孔洞结构进行热敏液体甘油填充,搭建了光纤温度传感测试平台,实验研究了甘油填充不同结构参数、不同光纤长度的 PCFs 的温控传输特性。甘油填充 PCFs 温度响应传输光谱不仅存在温控光强的特性,还包含 1430 nm 固定波长吸收峰。可实现 110280 宽温度范围的温度测量,获得 1430 nm 波长处 150 时0.936 dB/的温度灵敏度,独特的温控特性使甘油填充 PCFs 可用于强度调制温度传感器和温控光纤衰减器。这种独特温度响应光谱具有可重复性,另外传输光谱在低温时存在带通滤波现象,可作为温控带通滤波器。文章的研究结果对设计和制备光纤温度传感器和光纤调制器件具有
3、重要的参考意义。关键词:光子晶体光纤;温度传感;液体填充;强度传感器 中图分类号:TN252文章编号:1672-9846-(2023)03-0139-05DOI:10.3969/j.issn.1672-9846.2023.03.023开 放科学(资源服务)标识码(OSID):0 引言温度是人们接触最多且非常重要的物理量,在生产和生活中存在很多需要温度监测的场合。温度传感器的种类繁多,光纤温度传感器作为其中一种,具有远距离实时测量、可组网、抗高温、抗腐蚀和抗电磁干扰等优点,被广泛用于电力、建筑、医疗、航空航天等领域。传统光纤主要由石英玻璃构成,其热膨胀系数(5.510-7/)1和热光系数(8.6
4、10-6/)2均不高,使得光纤温度传感器的温度灵敏度偏低。为了提高光纤温度传感器的温度灵敏度,可采用热敏材料传感器镀膜3-5和热敏材料填充微腔6-7对温度传感器进行增敏。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,PCFs)是一类独特的二维光纤,不同于传统光纤简单的纤芯和包层同轴结构,其纤内分布的空气孔结构使其具有丰富、可控的传输效应,独特的导光机理和灵活的结构设计使其广泛用于光纤通讯、光纤传感、非线性光学和光纤激光器等领域。PCFs 中空气孔可以进行功能材料填充,填充材料的折射率随外部物理场改变。PCFs 空气孔填充进一步动态改变了光纤的波导性能,为全光纤调谐器件和传感器提
5、供新方案。一般液体的热光系数(10-4/)比石英玻璃的热光系数高两个数量级,因此,对 PCFs 空气孔液体填充能极大地增大PCFs 温度传感器灵敏度8。通过液体填充 PCFs空气孔,实现 PCFs 温度传感器增敏是目前 PCFs温度传感器研究领域热门的方向之一。同时温度场对液体填充 PCFs 的传输光谱的调制,也为光纤器件的设计提供一个新方案。液体填充 PCFs温度传感器主要有强度调制传感器9-10和干涉传感器11-12,其中强度调制传感器不需要复杂的选择性填充过程,传感机理较为简单,通过单波长光源和功率计就可搭建实验平台,不需要昂贵的光谱程 兰:甘油填充光子晶体光纤的温度传感特性研究-140
6、-仪和光源设备,可以极大地降低成本10。本文成功完成了低损耗 PCFs 的甘油填充,并利用自主搭建温度传感平台测试了热敏液体甘油填充不同结构参数、不同光纤长度的 PCFs 的温度控传输特性,并对实验现象进行了理论分析。甘油填充 PCFs 的传输光谱呈现出温度调制光强的特性,这种独特的温控特性使甘油填充 PCFs可用于强度调制温度传感器和温控光纤衰减器。1 光纤结构和实验装置考虑到 PCF 填充后损耗会增加,会使得填充PCF 的传输光强变弱,实验中采用实验室自制的低损耗 PCF,从而使光纤具有较好的传光效果。同时为了验证不同光纤的实验效果,本实验采用两种不同几何结构参数的 PCFs 进行实验。两
7、种光纤包层均由五层三角晶格周期排布的空气孔组成,采用石英棒替换一个空气孔引入缺陷而形成石英纤芯,两种光纤的外径均为 125 m。光纤放大 80 倍的光学显微镜图如图 1 所示,图 1(a)(b)分别标记为光纤 A 和 B。光纤 A 的纤芯直径8.84 m,孔间距 5.72 m,占空比 0.44。光纤 B的纤芯直径 7.13 m,孔间距 6.54 m,占空比 0.85。图 1 PCF 端面光学显微镜图 甘油具有折率高、热光系数高、无毒、易获得的特性,采用甘油选择填充 PCF 不同层的单一空气孔,可研究纤芯和甘油填充芯之间的距离对干涉温度传感器的影响11。本文同样采用甘油作为填充液,研究甘油全填充
8、 PCFs 的温度调制光谱特性。甘油体填充 PCFs 的制作流程包含以下步骤:(1)PCF 一端经过拨出涂敷、无尘纸清洁、切割刀切割后插入到 2 ml 的一次性医用注射器的针头中;(2)光纤固定好后用 502 强力胶水对可能漏气的地方进行密封;(3)待胶水干透,用一次性胶头滴管将填充液体注入到注射器中,装好液体的注射器固定到自制的加压装置上。填充时间与 PCF 空气孔大小、填充液体粘稠度有关。粘稠度越大,光纤需要填充时间越长。一般而言,用酒精、水、甲苯等粘稠度低液体填充 0.5 m 的 PCF 大概需要两个小时。对于甘油而言,0.5 m 的 PCF 填充时间需要 5 天左右,为了获得比较好的填
9、充效果,需要等待时间较长,即实验周期会比较长。图1(c)为光纤 B 甘油填充后的光学显微镜图,由于甘油的折射率比空气和石英高,甘油填充后,空气孔的导光性变好,填充后的空气孔会发亮,图 1(c)说明光纤 B 所有的空气孔都获得很好的填充。光谱测试装置如图 2(a)所示,宽带光源(光谱范围 12501650 nm)发出的光通过单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)进入填充光纤,再次经过单模光纤后进入光谱仪进行监测。填充光纤被图 2 测试原理图及实物固定在马弗炉中实现温度控制。图 2(b)为实验中用到的三维升降台和马弗炉。三维升降台用来调节光纤位置,升降台上面磁力光纤夹具固定光纤。马
10、弗炉分为上面的加热炉和下面的温度控制器,通过内置温度探头实现温度反馈。马弗炉温第 25 卷总第 99 期武汉交通职业学院学报2023 年第 3 期-141-度精度为5,温度精度较低,因此本实验另外从炉子的观察窗口插入一个温度计探头监测温度,提高读取高温度的精度。加入的热电偶温度计在 200以下温度精度为 0.1,200 以上温度精度为 1。鉴于马弗炉的温度精度较低,而温度反馈是通过马弗炉本身的温度探测头实现,因此实验时采用加热后自然冷却的方式实现温度标定。将马弗炉的程序设置为半小时从室温升到 270,然后保温半小时,使炉子里面的温度场分布均匀。自然降温时读取温度为附加热电偶温度计的温度,从而提
11、高测试结果中温度的精度。2 实验结果和讨论2.1 甘油填充 PCF 的温度响应传输谱特性首先测试了光纤 A,图3(a)(b)为光纤 A 填充甘油后不同温度下的传输谱,光纤长度为 9.4 cm。光谱在 1430 nm 附近有一个吸收峰,当温度下降时,测试波段的传输损耗整体增大,其中长波边传输谱下降更明显。当下降到 165 时,吸收峰开始抖动变得不明显。温度进一步下降使得传输光谱继续下沉,当温度下降 120 时,1430 nm 的长波边传输谱全部衰减了,温度继续下降使得导光窗口逐渐变窄。不同温度下 1430 nm 处的传输强度结果提取呈现在图 3(c)中,传输强度随温度变化并非线性变化。对二者的关
12、系进行六阶多项式拟合,拟合曲线对温度求导可以获得光强随温度的变化率,即温度灵敏度。温度越低,温度灵敏度越大,在 170 时温度灵敏度为 0.539 dB/,到280时,温度灵敏度下降到 0.062 dB/。280时 0.062 dB/的温度灵敏度与水基 Fe3O4磁流体溶液填充 PCF 强度型温度传感器 0.06 dB/的温度灵敏度相当2。图 3 9.4 cm 甘油填充光纤 A 温度特性2.2 光纤长度对温度灵敏度的影响材料对光的吸收遵循比尔-朗伯定理13:A=lg(1/T)=kbc(1)式中:A 是吸光度;T 是透射比,即出射光强度比入射光强度;k 是摩尔吸收系数,与吸收材料性质和入射光波长
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