[发明专利]一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器

说明书

本发明提出了一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，将有微光纤包层包裹的椭圆微光纤向四个方向接有垂直应力杆和水平应力杆连于应变壳。应变壳分为左右两部分，由支撑膜片隔开，两部分中心为椭圆微光纤，同时在整个应变壳内装有低折射率聚合物缓冲液，支撑膜片的中间放有矩形空芯微光纤，其内充满荧光微粒，光纤上连接CCD探测器进行荧光的采集、分析和存储。结合垂直方向和水平方向的分析结果用矢量的形式表示应力，达到矢量应力监测的效果。该系统以矢量的形式监测应力，应用于建筑物施工过程及大型项目施工等高风险，需要高精度作业的工作中，可以准确监测值接近控制值时发出报警，用来保证施工的安全性，也可用于检查施工过程是否合理。

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及一种空芯微光纤的耦合器，具体涉及一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器。

背景技术

微纳光纤是指将普通光纤在熔融状态下拉制得到的直径微米、纳米量级的光纤。微纳光纤由于具有尺寸小、光场约束能力强、损耗低、倏逝场传输能力强等优点,近年来在光传感、光通信、等方面都有着广泛的应用。光纤耦合器最早采用熔接的方法实现了多模光纤之间的焊接，紧接着采用类似的熔接技术实现了单模光纤之间的焊接。2017年，汪海，周文超等人就提出了一种基于微纳光纤耦合器的高灵敏度、便携式生物传感器，并对该传感器用于无标生物检测的灵敏度和重复性进行了研究。而在光纤耦合器的快速发展同时，偏振光纤耦合器也开始出现。相对于普通光纤耦合器，偏振光纤耦合器有很多的优势，比如偏振串扰小、附加损耗低以及能够保持传输中的线偏振光的偏振态不变等，在光纤通信系统和光纤传感技术中得到广泛应用，而且高性能的偏振光纤耦合器更加受青睐。

张红霞的《保偏光纤偏振耦合应力传感器的研究》，该项研究主要针对作用在保偏光纤上的横向应力可以引起偏振耦合现象，而通过测量耦合强度可以检测应力的位置和大小，实现应力传感。该项目可以实现在1根直径125μm，拍长2.1mm的保偏光纤上进行应力大小和作用的长度对偏振耦合强度的影响的实验研究。但是，仅能测出作用于光纤结构的应力强度大小，仍然无法实现对应力作用方向的精确检测。

发明内容

本发明解决了传统光纤对应力的监测对于目标任务的要求不够准确，无法矢量化的问题，提出了一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器。通过将应力分解为垂直方向与水平方向，垂直方向通过形变引起的椭圆微光纤内部沿着快轴和慢轴两个方向的偏振光的等效光学传输长度差增大，将产生光谱展宽监测，水平方向通过应力传递，使左右两侧的椭圆微光纤互相靠近，增强矩形空芯微光纤的内部光场，增加荧光颗粒的可见光荧光强度，由CCD探测器监测强度，分开监测可以达到矢量化的效果。同时利用光纤的偏振性使耦合器的性能大大提升，有望更好地应用于高精度，高风险的工作等，用来保证工作的安全性。由于其体积小，对称性等特点，可以嵌入应用设备中，使该结构可方便快捷监测应力。

为达到上述目的，本发明提出了一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，采用的技术方案如下：

包括应变壳、缓冲液、支持膜片、椭圆微型光纤、垂直应力杆、水平应力杆、微光纤包层、矩形微型空芯微光纤、荧光颗粒、CCD探测器；应变壳用于包裹整个耦合器，椭圆微型光纤外周包覆微光纤包层；矩形微型空芯微光纤两侧通过支撑膜片与应变壳相连，位于整个耦合器的中心；同时支撑膜片将应变壳内部分成两个对称的应力检测池，每个应力检测池的中心均设置带有微光纤包层的椭圆微型光纤，两个应力检测池中的微光纤包层分别与矩形微型空芯微光纤的两侧面接触；应变壳内部与微光纤包层之间充斥着缓冲液，作为二者之间作用应力的缓冲与传递；两个应力检测池中的微光纤包层分别通过垂直应力杆与竖直方向的应变壳壁面连接，通过水平应力杆与水平方向的应变壳壁面连接，用于将应变壳受到的应力传递给微光纤包层和椭圆微光纤；

所述矩形空芯微光纤内部包含荧光颗粒，在椭圆微光纤的倏逝场激发下产生可见荧光，矩形空芯微光纤连接CCD探测器用于采集可见光，进行分析和存储。