[發(fā)明專利]基于液體填充光子晶體光纖光柵的溫度傳感器及制造方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110456205.7
• 申請(qǐng)日: 2011-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102564639A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 滿文慶;彭軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 滿文慶;彭軍
• 主分類號(hào): G01K11/32
• 分類號(hào): G01K11/32;G02B6/02
• 代理公司: 廣州科粵專利商標(biāo)代理有限公司 44001
• 代理人: 黃培智

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到光纖光柵傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于液體填充的光子晶體光纖光柵的高靈敏度溫度傳感器及制作方法。

背景技術(shù)

1)光纖光柵溫度傳感器是以波長(zhǎng)編碼為特征的傳感器，通過(guò)測(cè)量光纖光柵布拉格反射波長(zhǎng)的移動(dòng)測(cè)量出溫度的變化，測(cè)量信號(hào)特征不受光強(qiáng)、光纖彎曲及連接損耗等因素影響。這種傳感器具有小型緊湊、不受電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量，可應(yīng)用于多種施工環(huán)境。

2)現(xiàn)有的光纖光柵溫度傳感器絕大部分為普通的實(shí)心包層光纖光柵，極少量采用微結(jié)構(gòu)光纖(即光子晶體光纖)。一般的實(shí)心包層光纖光柵和微結(jié)構(gòu)光纖光柵(PCF-BGs)的溫度傳感機(jī)制都基于光纖光柵對(duì)溫度的敏感特性，原因是器件的熱光效應(yīng)(溫度對(duì)材料折射率的影響)和熱膨脹效應(yīng)(溫度對(duì)光柵長(zhǎng)度和周期的影響)，當(dāng)測(cè)量溫度改變時(shí)，光柵的反射波長(zhǎng)隨溫度改變。

3)現(xiàn)有的光纖光柵溫度傳感器的折射率改變部位均在纖芯的光柵部位，包層的折射率的改變對(duì)反射波長(zhǎng)影響不大。

4)現(xiàn)有的光纖光柵溫度傳感器由光敏光纖制成：纖芯為摻鍺二氧化硅材料，通過(guò)紫外掩模等方法把光柵寫入纖芯，光纖包層為純二氧化硅材料。

5)現(xiàn)有的光纖光柵溫度傳感器基本上都通過(guò)采集光柵反射波長(zhǎng)的變化來(lái)測(cè)量溫度，已面市的解調(diào)設(shè)備解調(diào)分辨率一般為1pm，部分解調(diào)設(shè)備解調(diào)分辨率為0.25pm。

6)現(xiàn)有的光纖光柵傳感器熱敏變化依賴于纖芯中光柵的折射率變化(熱光效應(yīng))、長(zhǎng)度及周期變化(熱膨脹效應(yīng))，溫度敏感系數(shù)達(dá)到10pm/℃，與解調(diào)設(shè)備連接使用時(shí)可反映的測(cè)溫精度為0.1℃。

現(xiàn)有技術(shù)中有人公開(kāi)了專利名稱為一種基于微芯光纖布拉格光柵的折射率傳感器及其制備方法、專利公布號(hào)為CN101832924、公布日為2010年9月15日的發(fā)明專利，該專利文件提出的保護(hù)內(nèi)容以光柵刻寫為主要內(nèi)容，同時(shí)也提出光纖器件包層的氣孔問(wèn)題，空氣圓孔半徑為4～20微米，沒(méi)有涉及在微結(jié)構(gòu)包層中注入熱光效應(yīng)折射率匹配液體的內(nèi)容。CN101832924專利提出的方案提出把微芯光纖應(yīng)用于光纖光柵傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣孔中氣體和液體介質(zhì)折射率變化的近場(chǎng)高靈敏傳感。該專利方案的傳感器測(cè)量針對(duì)對(duì)象是氣體和液體的折射率，未提及對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有光纖光柵溫度傳感器靈敏度不高的問(wèn)題，這種光纖光柵溫度傳感器的布拉格波長(zhǎng)變化主要由光纖材料的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)引起，布拉格波長(zhǎng)隨溫度變化而移動(dòng)的范圍不大。為提高光纖光柵溫度傳感器溫度變化系數(shù)的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種液體填充的光子晶體光纖光柵(PCF-BGs-liquids)。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案：基于液體填充的光子晶體光纖光柵的溫度傳感器，包括有光子晶體光纖包層，光纖包層內(nèi)中心軸位置有摻鍺光纖纖芯，在光纖纖芯表面刻有布拉格光柵結(jié)構(gòu)，沿所述光纖包層軸向方向有氣孔，該些氣孔分布在光纖纖芯周圍并形成多層矩陣結(jié)構(gòu)，所述氣孔內(nèi)充入具有熱光敏感效應(yīng)的折射率匹配液體。將具有熱光敏感效應(yīng)的折射率匹配液體注入到光纖包層氣孔中，提高光纖光柵溫度傳感器的溫度敏感特性。

本發(fā)明利用的光子晶體光纖(PCFs)(也稱為微結(jié)構(gòu)光纖)，光子晶體光纖包括光纖纖芯、光纖包層。包層內(nèi)沿光纖包層軸向的氣孔，氣孔分布在光纖纖芯周圍共同構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，光纖纖芯摻鍺使得光子晶體光纖有光敏性。空氣孔的大小和空氣孔的間距決定光子晶體光纖的特性。采用壓力法將具有熱光敏感效應(yīng)的折射率匹配液體注入到光纖包層氣孔中，采用已有的光纖光柵刻寫方法，在這種液體填充的光子晶體光纖的纖芯刻寫布拉格光柵結(jié)構(gòu)，形成液體填充的光子晶體光纖光柵(PCF-BGs-liquids)。

本發(fā)明的液體填充的光子晶體光纖光柵的熱敏變化位置在包層和纖芯。溫度變化時(shí)，本新產(chǎn)品除纖芯中光柵周期結(jié)構(gòu)變化外，填充到包層中的液體折射率也隨溫度改變，且由于液體的熱光敏感效應(yīng)比固體更顯著，一般可達(dá)-4×10^-4，光子晶體光纖包層氣孔中液體的折射率將發(fā)生相對(duì)較大的變化，從而引起光子晶體光纖包層等效折射率發(fā)生相對(duì)較大的變化。包層等效折射率較大的變化會(huì)引起光子晶體光纖纖芯內(nèi)傳輸?shù)幕P01的有效折射率有較大的變化，最終導(dǎo)致光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)隨溫度變化有較大的移動(dòng)，從而顯著提高光纖光柵溫度傳感器的溫度敏感特性，使得溫度靈敏系數(shù)提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。