專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力傳感系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)確而靈敏的光纖傳感系統(tǒng)以測(cè)量橫向應(yīng)力或應(yīng)變，特別是基于零雙折射雙模光子晶體光纖或高雙折射雙模光子晶體光纖的基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
建筑物的安全與質(zhì)量監(jiān)測(cè)，主要是檢測(cè)在外力作用下的應(yīng)力和形變。一般的檢測(cè)方法是在建筑材料內(nèi)安裝大量分布式應(yīng)變片或者其它應(yīng)變感受纖維，由于纖維材料與建筑材料構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠適當(dāng)提高建筑材料的強(qiáng)度，因此，使用復(fù)合纖維材料進(jìn)行建筑物的載荷與形變檢測(cè)是比較常用的方法。在建筑材料或者建筑物內(nèi)埋置光導(dǎo)纖維，形成智能復(fù)合結(jié)構(gòu)(也叫靈巧復(fù)合結(jié)構(gòu))，當(dāng)建筑材料或者建筑物發(fā)生形變的時(shí)候，埋置在其中的光纖會(huì)感受到相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變，其光學(xué)特性(主要是傳輸特性)能立即發(fā)生變化，因此對(duì)光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)，就能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)的形變和載荷變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的安全監(jiān)測(cè)。這種方法不僅可以用于建筑物的檢測(cè)，而且在機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。利用光纖進(jìn)行應(yīng)力傳感與檢測(cè)，不僅具有光纖固有的優(yōu)越性，如抗電磁干擾，機(jī)械強(qiáng)度高等，還可以實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)，而且靈敏度非常高。
光纖應(yīng)力傳感與檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了將近20年的發(fā)展，目前已有多種基于普通石英光纖的應(yīng)力傳感器。光纖應(yīng)力傳感器按照被檢測(cè)應(yīng)力的方向可分為縱向應(yīng)力傳感器和橫向應(yīng)力傳感器，按照基本工作原理可以分為兩大類(lèi)，一是光纖型應(yīng)力傳感器，二是光柵型應(yīng)力傳感器。光纖型應(yīng)力傳感器就是光纖在外力作用下發(fā)生形變，改變其模式的傳輸特性，對(duì)傳輸光進(jìn)行檢測(cè)即可得到形變或者外力的變化情況。光柵型應(yīng)力傳感器是利用光纖光柵(包括光纖布拉格光柵FBG和長(zhǎng)周期光柵LPG)的周期(縱向)或?qū)ΨQ(chēng)性(橫向)隨外力改變，從而改變光柵的透射譜或反射譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)外力變化的檢測(cè)。
光纖型應(yīng)力傳感器對(duì)縱向應(yīng)力的檢測(cè)一般都基于雙模光纖或者少模光纖(few-mode fiber)中多個(gè)模式之間的干涉作用。當(dāng)光纖拉伸時(shí)，不同模式之間的相位關(guān)系發(fā)生變化，因而輸出端光場(chǎng)(強(qiáng)度)發(fā)生相應(yīng)變化，根據(jù)強(qiáng)度變化的周期性，可以得到相位變化，從而得到光纖的形變或者應(yīng)力。當(dāng)普通圓光纖受到橫向應(yīng)力時(shí)，一般檢測(cè)背向反射光的兩個(gè)偏振分量的光程差和相干性，可以確定應(yīng)力施加在光纖長(zhǎng)度上的位置，但是很難確定應(yīng)力大小。
由于光纖光柵的光譜特性對(duì)光纖結(jié)構(gòu)和光柵周期的敏感性很高，所以，自從二十世紀(jì)九十年代初光柵問(wèn)世以來(lái)，基于普通階躍折射率石英光纖的布拉格光柵和長(zhǎng)周期光柵的傳感器(包括應(yīng)力傳感器和溫度傳感器)得到了廣泛的研究與應(yīng)用。當(dāng)光纖受到縱向拉力而伸長(zhǎng)時(shí)，在芯區(qū)寫(xiě)入的光柵周期會(huì)相應(yīng)增大，對(duì)于布拉格光柵，其峰值反射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)；對(duì)于長(zhǎng)周期光柵，其透射譜向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。當(dāng)光纖受到橫向壓力的時(shí)候，不妨假定壓力沿x方向施加于光纖側(cè)面，那么光纖x方向尺寸將縮小，而y方向尺寸將擴(kuò)大。對(duì)于圓光纖，將產(chǎn)生固有雙折射；對(duì)于雙折射光纖，其雙折射特性將發(fā)生變化。在這種具有雙折射的光纖中寫(xiě)入的布拉格光柵或者長(zhǎng)周期光柵的反射譜或透射譜發(fā)生分裂，出現(xiàn)兩個(gè)反射峰或者兩組透射譜，它們分別與兩組偏振方向正交的模式對(duì)應(yīng)。當(dāng)加在光纖上的橫向應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，光纖的雙折射特性隨即改變，一般情況下，橫向應(yīng)力的變化與光柵譜的波長(zhǎng)移動(dòng)量成正比，因此，檢測(cè)布拉格光柵的兩個(gè)反射峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)，或者檢測(cè)長(zhǎng)周期光柵兩組透射譜的移動(dòng)，就能及時(shí)檢測(cè)到橫向應(yīng)力的變化。
“光纖光柵橫向應(yīng)變傳感器系統(tǒng)”中國(guó)專(zhuān)利CN1155798C中，介紹了基于普通光纖里的布拉格光柵的橫向應(yīng)變傳感器系統(tǒng)，而且可以同時(shí)測(cè)量不同地點(diǎn)的溫度或受力。
光纖的縱向應(yīng)變靈敏度一般為0.8×10-6με-1，溫度靈敏度為6×10-6℃-1；利用布拉格光柵進(jìn)行橫向應(yīng)力傳感與檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)室靈敏度可以達(dá)到0.344nm/(N.mm-1)；利用長(zhǎng)周期光柵進(jìn)行橫向應(yīng)力傳感與檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室靈敏度則已經(jīng)達(dá)到了50nm/(N.mm-1)。
光纖應(yīng)力傳感器的靈敏度由光纖的主要材料石英(SiO2)決定。SiO2的楊氏模量非常大，一般都超過(guò)70GPa(具體數(shù)值與石英光纖中的摻雜有關(guān)，非摻雜包層約72GPa，3％摻Ge約為70.8GPa)，在外力作用下，其形變一般都很小，因此對(duì)光纖應(yīng)力傳感器的工藝要求比較高。為了改變光纖橫向應(yīng)力傳感器的靈敏度對(duì)石英材料楊氏模量的單一依賴(lài)性，人們?cè)噲D改變光纖結(jié)構(gòu)，從而改變光纖在外力作用下的形變量，以此來(lái)改進(jìn)光纖橫向應(yīng)力傳感與檢測(cè)的精度與靈敏度。
利用多芯光纖中的布拉格光柵進(jìn)行橫向應(yīng)力檢測(cè)，雖然是最近才開(kāi)展的研究工作，但是也已經(jīng)展現(xiàn)出其誘人的優(yōu)勢(shì)，利用4芯光纖的橫向應(yīng)力傳感器靈敏度已經(jīng)達(dá)到0.24nm/(N.mm-1)。
利用旁孔光纖及其中的布拉格光柵進(jìn)行橫向應(yīng)力檢測(cè)則得到了更多的關(guān)注，人們不僅從理論和實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這種光纖對(duì)橫向應(yīng)力的靈敏度可以達(dá)到2.0nm/(N.mm-1)以上，而且也研究了其動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，可以在0～38.08MPa范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.03MPa分辨率的高精度壓力測(cè)量。
本發(fā)明基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)，利用新型的光子晶體光纖(PCFPhotonic Crystal Fiber)對(duì)橫向應(yīng)力(應(yīng)變)進(jìn)行傳感與檢測(cè)。
在光子晶體光纖包層區(qū)域，沿縱向排列著大量空氣孔。根據(jù)導(dǎo)光機(jī)理，可將其分為兩類(lèi)，即折射率導(dǎo)光和光子帶隙(PBGPhotonic Band Gap)導(dǎo)光。典型的折射率導(dǎo)光型光子晶體光纖的芯區(qū)是實(shí)心石英，包層是多孔結(jié)構(gòu)。包層中的空氣孔降低了包層的有效折射率，從而滿(mǎn)足全反射(TIRTotal InternalReflection)條件，光束縛在芯區(qū)傳輸。光子帶隙導(dǎo)光光纖的包層區(qū)域是周期性結(jié)構(gòu)，它產(chǎn)生的光子帶隙可將光束縛在光纖芯區(qū)傳輸。光子帶隙導(dǎo)光光纖包層周期性結(jié)構(gòu)是一個(gè)二維光子晶體，折射率只在橫截面內(nèi)周期性變化。沿著光纖縱向，折射率是均勻的，光沿縱向傳輸時(shí)不會(huì)受到限制。但是橫向周期性結(jié)構(gòu)的布拉格反射會(huì)產(chǎn)生橫向諧振，形成頻域(波長(zhǎng))帶隙。如果引入一個(gè)線缺陷破壞二維光子晶體的周期性，就會(huì)在包層結(jié)構(gòu)的光子帶隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)缺陷模式，并能束縛在芯區(qū)內(nèi)沿光纖傳輸。這種新型導(dǎo)光機(jī)理可在光纖的低折射率區(qū)域(如空氣芯)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光，這類(lèi)光纖不可能基于全反射導(dǎo)光，它的許多新特性可廣泛應(yīng)用于光纖傳感和光纖通信中。
迄今為止，人們已經(jīng)利用純石英、非石英玻璃(如硫化物玻璃、Schott玻璃)和聚合物等各種材料制備光子晶體光纖。折射率導(dǎo)光的光子晶體光纖的芯區(qū)可摻雜鍺(Ge)、硼(B)和鉺、鐿、釹(Er3+，Yb3+，Nd3+)等稀土元素離子，從而改變折射率分布或者制作光纖放大器和激光器等有源器件。光子晶體光纖還有許多其它新的特性，如無(wú)盡單模，大模場(chǎng)面積單模光纖，高非線性光纖，高雙折射光纖，色散可控光纖，等等。
折射率導(dǎo)光光子晶體光纖中，如果沿不同方向的空氣孔尺寸不同，或者孔形狀是橢圓而不是圓形，或者空氣孔位置不對(duì)稱(chēng)，可以獲得高雙折射。這些高雙折射光子晶體光纖的雙折射可比傳統(tǒng)的熊貓光纖高一個(gè)量級(jí)。Ning Guan報(bào)導(dǎo)了一種高雙折射光子晶體光纖，在480nm到1620nm范圍內(nèi)保偏，而且偏振串?dāng)_優(yōu)于-25dB，在1300nm到1620nm范圍內(nèi)串?dāng)_大約只有-45dB，即使光纖彎曲半徑只有10mm時(shí)偏振串?dāng)_也不會(huì)惡化。Crystal Fibre A/S(收購(gòu)Blazephotonics后PCF產(chǎn)品更全面)公司提供的高雙折射光子晶體光纖長(zhǎng)度超過(guò)100m的偏振耦合優(yōu)于30dB，而且雙折射的溫度系數(shù)顯著低于普通高雙折射光纖。這些性質(zhì)可用于開(kāi)發(fā)新型特性的傳感器。在一些波長(zhǎng)時(shí)能支持雙模工作(導(dǎo)模只有LP01模和LP11偶模)的高雙折射光子晶體光纖，可實(shí)現(xiàn)模式干涉或偏振干涉，用于應(yīng)力和溫度傳感測(cè)量。
目前利用PCF進(jìn)行溫度和應(yīng)力傳感的研究已經(jīng)開(kāi)始，但是由于光子晶體光纖的應(yīng)用剛剛起步，而且橫向應(yīng)力的檢測(cè)難度比較大，所以現(xiàn)在仍然沒(méi)有看到基于光子晶體光纖的橫向應(yīng)力傳感與檢測(cè)的相關(guān)報(bào)道。我們對(duì)光子晶體光纖和普通光纖的在外力作用下的形變情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，空氣孔有利于增強(qiáng)光纖對(duì)外力的應(yīng)變，孔越大，應(yīng)變?cè)酱?。如果增加空氣孔?shù)量，應(yīng)變將進(jìn)一步增大。應(yīng)變大小對(duì)光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的依賴(lài)關(guān)系，因此，可以通過(guò)選擇不同的光子晶體光纖來(lái)獲取最好的應(yīng)變參數(shù)，不僅降低檢測(cè)難度，提高檢測(cè)靈敏度，而且能獲得橫向應(yīng)力的最佳檢測(cè)條件。
雙模光子晶體光纖進(jìn)行傳感與檢測(cè)，利用不同模式之間的干涉或者不同偏振態(tài)之間的干涉，不僅可以通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)變化等簡(jiǎn)單方法進(jìn)行測(cè)量，而且由于光子晶體光纖可以獲得更高的雙折射，模式之間的拍長(zhǎng)更短，能夠大大提高測(cè)量精度。
本發(fā)明——基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)，利用光子晶體光纖對(duì)外力的更高敏感性，采取零雙折射雙模光子晶體光纖和高雙折射雙模光子晶體光纖對(duì)施加在光纖橫向的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)。
進(jìn)一步的研究，可以基于上述內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)分布式橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感與檢測(cè)系統(tǒng)或者傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)大型建筑進(jìn)行大面積整體應(yīng)變情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力傳感系統(tǒng)含有一種零雙折射雙模光子晶體光纖橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分布式傳感系統(tǒng)或傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于測(cè)量與受力方向無(wú)關(guān)的橫向應(yīng)力或應(yīng)變；和一種高雙折射雙模光子晶體光纖橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分布式傳感系統(tǒng)或傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于測(cè)量方向相關(guān)的橫向應(yīng)力或應(yīng)變。
本發(fā)明的原理是利用雙模光子晶體光纖里兩個(gè)模式之間的關(guān)系進(jìn)行橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感與檢測(cè)。無(wú)論是零雙折射還是高雙折射光子晶體光纖，都存在一定帶寬的波段，在該波段內(nèi)支持雙模傳輸，即同時(shí)有基模和二階偶模存在。附圖6是三角周期的零雙折射光子晶體光纖的工作區(qū)域理論分析結(jié)果，顯然，當(dāng)光纖中的空氣孔相對(duì)大小處于0.45和0.65之間時(shí)，光纖是雙模光纖。
一種基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)，主要包括激光器光源，普通單模光纖，零雙折射雙模光子晶體光纖或高雙折射雙模光子晶體光纖，偏振控制器，受力單元，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器，信號(hào)處理與顯示單元，激光器光源輸出光經(jīng)偏振控制器后，采用橫向錯(cuò)位方式耦合進(jìn)入零雙折射或高雙折射雙模光子晶體光纖，雙模光子晶體光纖安放在受力單元內(nèi)，便于感受施加的外部橫向應(yīng)力，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器檢測(cè)雙模干涉形成的空間光場(chǎng)，并將檢測(cè)到的信息送給信號(hào)處理和顯示單元，得到橫向應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果。
一種基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，主要有以下步驟第一，選用零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，根據(jù)光纖結(jié)構(gòu)確定其雙模工作波長(zhǎng)范圍。
第二，在雙模光子晶體光纖工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)選擇激光器工作波長(zhǎng)，并確定相應(yīng)系統(tǒng)使用的激光器光源和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器。
第三，雙模光子晶體光纖安放在受力單元內(nèi)，便于對(duì)光纖施加外部橫向應(yīng)力。
第四，激光器光源輸出光經(jīng)偏振控制器后，將其耦合進(jìn)入光子晶體光纖，采用橫向錯(cuò)位方式使基模與二階偶模功率基本相同。
第五，連接傳感系統(tǒng)光路，并精確調(diào)整，使系統(tǒng)響應(yīng)、靈敏度、精度等最好。
第六，調(diào)試信號(hào)處理與顯示單元，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理并顯示在終端設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)橫向應(yīng)力的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
本發(fā)明的解決方案主要有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
第一，零雙折射雙模光子晶體光纖的選用。由于制作工藝的不完美，一般情況下不可能得到完全沒(méi)有雙折射的光纖，但是本發(fā)明使用偏振控制器抑制其中一個(gè)偏振方向的模式，所以，由于工藝缺陷引起的光纖固有雙折射問(wèn)題可以避免。
第二，高雙折射雙模光子晶體光纖的選用。選用高雙折射光纖，二階模式在光纖里傳輸過(guò)程中，它的光斑沿某一方向固定，不會(huì)發(fā)生隨機(jī)旋轉(zhuǎn)，與基模的耦合更充分。
第三，多種雙模光子晶體光纖的選用。為了適應(yīng)不同環(huán)境和不同傳感要求，本發(fā)明提供多種零雙折射或高雙折射雙模光子晶體光纖的選用，而且使用不同光纖時(shí)的傳感器特性都繼續(xù)保持。
第四，偏振控制器的選用。不論是零雙折射還是高雙折射雙模光子晶體光纖傳感器系統(tǒng)，本發(fā)明都選用偏振控制器，抑制某個(gè)方向偏振的模式，削弱不同偏振態(tài)之間的耦合或偏振模色散對(duì)傳感器靈敏度的影響。
第五，錯(cuò)位耦合技術(shù)的使用。激光器輸出的光耦合進(jìn)入傳感器使用的雙模光子晶體光纖，如果采用通常的對(duì)準(zhǔn)方式耦合，光纖里基模和二階偶模的模式能量相差很大，它們的耦合輸出光斑隨橫向應(yīng)力的變化不明顯，因此傳感器的靈敏度很低。本發(fā)明采用錯(cuò)位耦合技術(shù)，使激光器輸出光纖與雙模光子晶體光纖的端面沿橫向錯(cuò)位，調(diào)整錯(cuò)位位移量，使雙模光子晶體光纖里基模和二階偶模的能量接近，從而大大提高傳感器的靈敏度。當(dāng)基模和二階偶模的能量正好相等時(shí)，靈敏度最高。
第六，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑光探測(cè)器的選用。本發(fā)明的基本原理是利用基模與二階偶模的耦合輸出光場(chǎng)隨橫向外力的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)橫向應(yīng)力的檢測(cè)，因此準(zhǔn)確、靈敏地檢測(cè)光纖輸出端的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑是本發(fā)明的關(guān)鍵。本發(fā)明采用遠(yuǎn)場(chǎng)光斑探測(cè)器，檢測(cè)光強(qiáng)度在探測(cè)器位置的空間分布變化情況，并將檢測(cè)到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送給后續(xù)的信號(hào)處理與顯示部分，完成傳感器系統(tǒng)的全部功能。
本發(fā)明的技術(shù)效果在實(shí)際傳感器應(yīng)用中能得到體現(xiàn)。零雙折射雙模光子晶體光纖橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感器，因使用的光纖不具有固有雙折射，無(wú)論從哪個(gè)方向施加的橫向應(yīng)力，產(chǎn)生的橫向形變和折射率變化對(duì)輸出光信號(hào)的影響都是一樣的，因此不能區(qū)分橫向應(yīng)力來(lái)自的方向。該傳感器系統(tǒng)只能用于與方向無(wú)關(guān)的橫向應(yīng)力檢測(cè)。高雙折射雙模光子晶體光纖橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感器，因使用的光纖具有較高的固有雙折射，不同方向施加的橫向應(yīng)力產(chǎn)生的橫向形變和折射率變化對(duì)輸出光信號(hào)的影響不同，因此該傳感器系統(tǒng)能用于方向相關(guān)的橫向應(yīng)力檢測(cè)。
零雙折射或高雙折射雙模光子晶體光纖橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感器的技術(shù)效果還可以通過(guò)以下手段得到提高。
第一，選用雙模光子晶體光纖時(shí)，考慮基模與二階偶模之間的模式折射率關(guān)系，如果相差較大，可以提高傳感器靈敏度。
第二，調(diào)整激光器輸出光到光子晶體光纖的耦合結(jié)構(gòu)，如果橫向錯(cuò)位使基模與二階偶模的光功率接近，可以提高傳感器靈敏度。
第三，調(diào)整激光器輸出光到光子晶體光纖的耦合結(jié)構(gòu)，如果兩光纖中心軸線不平行，可以增強(qiáng)光子晶體光纖對(duì)橫向應(yīng)力的敏感性，提高傳感器系統(tǒng)的靈敏度，但是這一手段降低了光功率。
第四，選用遠(yuǎn)場(chǎng)光斑探測(cè)器時(shí)，如果其探測(cè)陣列分辨率高，或者響應(yīng)度高，或者靈敏度高，都能提高傳感器系統(tǒng)的靈敏度。
第五，傳感器系統(tǒng)其它信號(hào)處理部分的功能改善，也有利于提高傳感器的技術(shù)效果。
第六，傳感器系統(tǒng)其它部分的功能改善，器件性能提高，都有利于提高傳感器系統(tǒng)的技術(shù)效果。
至此，給出并介紹了基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)?？紤]本發(fā)明的詳細(xì)介紹和附圖，那些專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員將明顯看到本發(fā)明的這些和其它目的以及優(yōu)點(diǎn)。顯而易見(jiàn)地，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員能比較容易地對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改、改變、變化、使用和應(yīng)用，所有那些沒(méi)有遠(yuǎn)離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的修改、改變、變化、使用和應(yīng)用都包括在本發(fā)明之內(nèi)。


圖1零雙折射雙模光子晶體光纖橫向應(yīng)力傳感系統(tǒng)框圖；圖2高雙折射雙模光子晶體光纖橫向應(yīng)力傳感系統(tǒng)框圖；圖3三角周期的零雙折射雙模光子晶體光纖結(jié)構(gòu)；圖4四方周期的零雙折射雙模光子晶體光纖結(jié)構(gòu)；圖5蜂窩周期的零雙折射雙模光子晶體光纖結(jié)構(gòu)；圖6三角周期的零雙折射光子晶體光纖的工作區(qū)域劃分；圖7零雙折射雙模光子晶體光纖里兩個(gè)正交偏振的基模的模場(chǎng)分布；圖8零雙折射雙模光子晶體光纖里四個(gè)二次模的模場(chǎng)分布；圖9第一種高雙折射雙模光子晶體光纖結(jié)構(gòu)；圖10第二種高雙折射雙模光子晶體光纖結(jié)構(gòu)；圖11第三種高雙折射雙模光子晶體光纖結(jié)構(gòu)；圖12第四種高雙折射雙模光子晶體光纖結(jié)構(gòu)；圖13高雙折射雙模光子晶體光纖里兩個(gè)基模的模場(chǎng)分布；圖14高雙折射雙模光子晶體光纖里兩個(gè)二階偶模的模場(chǎng)分布；圖15零雙折射光子晶體光纖受力示意圖；圖16高雙折射光子晶體光纖受力示意圖；圖17高雙折射雙模光纖里一個(gè)基模和二階偶模的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑；圖18壓力變化時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的周期變化情況。經(jīng)偏振控制器后，假定輸入端，基模和二階偶模的y分量進(jìn)入光纖橫向應(yīng)力傳感區(qū)，而且兩個(gè)模式的功率相等，那么輸出端遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的將隨外部施加在受力單元上的應(yīng)力大小而周期性變化，從主要集中在上半部，到主要集中在下半部，這是基模和二階偶模之間的相位差變化π的結(jié)果，如果相位差繼續(xù)增大，光能量將從下半部逐漸轉(zhuǎn)移到上半部。
具體實(shí)施例方式
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施案例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1；零雙折射雙模光子晶體光纖橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)；附圖1所示，圖中光纖是零雙折射光子晶體光纖，光源(激光器)輸出光波長(zhǎng)為633nm，該波長(zhǎng)處光纖是雙模工作狀態(tài)，支持基模和二階偶模；利用普通單模光纖傳輸至橫向應(yīng)力檢測(cè)區(qū)，經(jīng)偏振控制器后，只剩下x方向偏振的基模和二階偶模；錯(cuò)位耦合進(jìn)入光子晶體光纖，錯(cuò)位位移經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后，基模與二階偶模功率接近相等；光在橫向應(yīng)力作用下通過(guò)光纖，并輸出至遠(yuǎn)場(chǎng)光斑探測(cè)器(可以是高靈敏度的CCD陣列)，將空間光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；經(jīng)信號(hào)采樣、處理、顯示，輸出橫向應(yīng)力檢測(cè)的圖形與數(shù)據(jù)結(jié)果。
實(shí)施例2；高雙折射雙模光子晶體光纖橫向應(yīng)力(應(yīng)變)傳感系統(tǒng)；附圖2所示，圖中光纖是高雙折射光子晶體光纖，光源(激光器)輸出光波長(zhǎng)為1310nm，該波長(zhǎng)處光纖是雙模工作狀態(tài)，支持基模和二階偶模；利用普通單模光纖傳輸至橫向應(yīng)力檢測(cè)區(qū)，經(jīng)偏振控制器后，只剩下y方向偏振的基模和二階偶模；錯(cuò)位耦合進(jìn)入光子晶體光纖，錯(cuò)位位移經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后，基模與二階偶模功率接近相等；光在橫向應(yīng)力作用下通過(guò)光纖，并輸出至遠(yuǎn)場(chǎng)光斑探測(cè)器(可以是高靈敏度的CCD陣列)，將空間光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；經(jīng)信號(hào)采樣、處理、顯示，輸出橫向應(yīng)力檢測(cè)的圖形與數(shù)據(jù)結(jié)果。
因?yàn)楦唠p折射光子晶體光纖的固有雙折射的改變與外力方向有關(guān)，因此改變橫向應(yīng)力方向會(huì)改變光纖輸出端的遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)，從而改變光探測(cè)器的輸出信號(hào)，經(jīng)信號(hào)采樣、處理、顯示，輸出橫向應(yīng)力的大小和方向的結(jié)果。
實(shí)施例3；附圖3、4、5是三種典型的零雙折射雙模光子晶體光纖，其中的基模的兩個(gè)偏振分量(附圖7)之間沒(méi)有雙折射，二階模包括四個(gè)近似簡(jiǎn)并模式(附圖8)，實(shí)際光纖里傳輸?shù)亩A模是由這四個(gè)模式組合而成的，因此，在光纖里傳輸時(shí)，二階模光斑方向隨機(jī)旋轉(zhuǎn)。在光纖入射端加入一偏振控制器，保持光纖里只傳輸一個(gè)方向偏振的光，這樣，基模只有一個(gè)分量傳輸，二階模也只有一個(gè)偏振方向的光能夠傳輸，而且光斑方向不再旋轉(zhuǎn)，能夠形成穩(wěn)定的模場(chǎng)。
外力通過(guò)受力單元施加在零雙折射光子晶體光纖橫向(附圖15)，使光纖產(chǎn)生橫向應(yīng)變，不僅改變光纖的對(duì)稱(chēng)性，也改變光纖里空氣孔的形狀，而且使石英材料折射率因壓力而發(fā)生變化，從而改變光纖的傳輸特性。第一，原來(lái)的零雙折射光子晶體光纖不再是零雙折射，會(huì)產(chǎn)生新的雙折射，雙折射大小與外力大小有關(guān)；第二，同階模式的兩個(gè)正交偏振分量的傳輸常數(shù)和模式折射率發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)偏振控制器后，雖然只有一個(gè)偏振分量進(jìn)入光纖，其模式折射率的變化將影響輸出光信號(hào)；第三，基模和二階模的相同方向的偏振分量之間的模式折射率差發(fā)生變化，從而決定它們之間的相位關(guān)系和耦合情況，最終決定光纖的輸出光信號(hào)和傳感器檢測(cè)到的信號(hào)。
附圖9、10、11、12是幾種典型的高雙折射光子晶體光纖，這些光纖里任何模式都不再簡(jiǎn)并?；５膬蓚€(gè)偏振分量(附圖13)簡(jiǎn)并被打破，二階模則包括偶模(附圖14)和奇模，它們的光斑取向分別沿光纖的慢軸(對(duì)應(yīng)較大的模式折射率)和快軸(對(duì)應(yīng)較小的模式折射率)，而且偶模和奇模都包含兩個(gè)方向偏振的模式。高雙折射雙模光子晶體光纖只支持基模和二階偶模傳輸，經(jīng)過(guò)偏振控制器后，進(jìn)入光纖的光只能激勵(lì)基模和二階偶模的一個(gè)相同方向偏振的模式分量。這兩個(gè)模式在光纖里傳輸時(shí)發(fā)生耦合，耦合情況由它們之間的模式折射率關(guān)系決定，從而影響輸出光信號(hào)。
外力通過(guò)施力單元施加在高雙折射光子晶體光纖橫向(附圖16)，如果外力沿快軸方向，隨著外力增大，雙折射增大；如果外力沿慢軸方向，外力增大時(shí)雙折射減小。因此，可以根據(jù)雙折射的變化判斷外力方向和大小。橫向應(yīng)力使光纖產(chǎn)生橫向應(yīng)變，不僅改變光纖的對(duì)稱(chēng)性，也改變光纖里空氣孔的形狀，而且使石英材料折射率因壓力而發(fā)生變化，從而改變光纖的傳輸特性，主要是改變各模式的傳輸常數(shù)和模式折射率，因而改變光纖的雙折射。雙折射變化后，高雙折射雙模光子晶體光纖中傳輸?shù)幕：投A偶模之間的相位關(guān)系也發(fā)生相應(yīng)變化，輸出端光信號(hào)的模斑隨之改變。附圖17是基模和二階偶模的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，附圖18是橫向壓力變化時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的周期變化。
零雙折射或高雙折射的雙模光子晶體光纖傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，主要區(qū)別在于傳感器部分使用不同光纖。系統(tǒng)采用普通激光光源，要求輸出功率穩(wěn)定，波長(zhǎng)處于所用光纖的雙模波段內(nèi)。輸出光經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振控制器，在光纖里激勵(lì)單一偏振分量的基模和二階偶模，經(jīng)過(guò)光纖橫向受力區(qū)域，在外加橫向應(yīng)力的作用下，兩個(gè)模式電場(chǎng)在光纖里的耦合情況隨橫向應(yīng)力而改變，輸出光場(chǎng)在光探測(cè)器處的強(qiáng)度空間分布發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)輸出的光強(qiáng)度空間分布，即可檢測(cè)施加在光纖上的橫向應(yīng)力。
權(quán)利要求
1.一種基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力應(yīng)變傳感系統(tǒng)，主要包括激光器光源，普通單模光纖，零雙折射雙模光子晶體光纖或高雙折射雙模光子晶體光纖，偏振控制器，受力單元，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器，信號(hào)處理與顯示單元，其特征在于激光器光源輸出光經(jīng)偏振控制器后，采用橫向錯(cuò)位方式耦合進(jìn)入零雙折射或高雙折射雙模光子晶體光纖，雙模光子晶體光纖安放在受力單元內(nèi)，便于感受施加的外部橫向應(yīng)力，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器檢測(cè)雙模干涉形成的空間光場(chǎng)，并將檢測(cè)到的信息送給信號(hào)處理和顯示單元，得到橫向應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力應(yīng)變傳感系統(tǒng)，其特征在于檢測(cè)雙模光子晶體光纖中傳輸?shù)碾p模干涉形成的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力應(yīng)變傳感系統(tǒng)，其特征在于激光器輸出光波長(zhǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器的工作波段與光子晶體光纖的雙模工作波段對(duì)應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力應(yīng)變傳感系統(tǒng)，其特征在于雙模光子晶體光纖穿過(guò)受力單元的部分在受力單元內(nèi)部固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力應(yīng)變傳感系統(tǒng)，其特征在于遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器檢測(cè)光纖輸出端光功率在橫向的空間分布，直接探測(cè)光斑形狀，并將探測(cè)到的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出至信號(hào)處理與顯示單元。
6.基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力應(yīng)變傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于有以下步驟第一，選用零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，根據(jù)光纖結(jié)構(gòu)確定其雙模工作波長(zhǎng)范圍；第二，在雙模光子晶體光纖工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)選擇激光器工作波長(zhǎng)，并確定相應(yīng)系統(tǒng)使用的激光器光源和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器；第三，雙模光子晶體光纖安放在受力單元內(nèi)，對(duì)光纖施加外部橫向應(yīng)力；第四，激光器光源輸出光經(jīng)偏振控制器后，將其耦合進(jìn)入光子晶體光纖，采用橫向錯(cuò)位方式使基模與二階偶模功率基本相同；第五，連接傳感系統(tǒng)光路，并精確調(diào)整；第六，調(diào)試信號(hào)處理與顯示單元，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理并顯示在終端設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)橫向應(yīng)力的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
全文摘要
一種基于雙模光子晶體光纖的橫向應(yīng)力傳感系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法，包括激光器光源，普通單模光纖，零雙折射雙模光子晶體光纖，高雙折射雙模光子晶體光纖，偏振控制器，受力單元，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器，信號(hào)處理與顯示單元。激光器光源輸出光經(jīng)偏振控制器后，采用橫向錯(cuò)位方式耦合進(jìn)入零雙折射或高雙折射雙模光子晶體光纖，雙模光子晶體光纖安放在受力單元內(nèi)，便于感受施加的外部橫向應(yīng)力，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑檢測(cè)器檢測(cè)雙模干涉形成的空間光場(chǎng)，并將檢測(cè)到的信息送給信號(hào)處理和顯示單元，得到橫向應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果。此光纖傳感系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分布式橫向應(yīng)力檢測(cè)。
文檔編號(hào)G02B6/02GK1831486SQ200610076339
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者王智, 王擁軍, 吳重慶 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)