[发明专利]基于实芯光子晶体光纤的反射型气压传感器及制备方法

说明书

本发明公开了基于实芯光子晶体光纤的反射型气压传感器及制备方法，涉及光纤传感与光学测量技术领域，包括依次连接且外径相同的单模光纤、传输光纤和实芯光子晶体光纤，所述传输光纤为无芯光纤或多模光纤，所述实芯光子晶体光纤的包层中有若干周期性排布的空气孔。所述单模光纤通过放电熔接的方式与所述无芯光纤和所述实芯光子晶体光纤熔接。熔接过程中，控制熔接机放电功率和放电时间使光子晶体的空气孔不坍塌。本发明基于实芯光子晶体光纤的反射型气压传感器及制备方法具有体积小、价格便宜、容易制备、温度交叉灵敏度低和免电磁干扰等诸多优势。

技术领域

本发明涉及光纤传感与光学测量技术领域，特别是涉及一种基于实芯光子晶体光纤的反射型气压传感器及制备方法。

背景技术

光纤气压传感器由于其优异的复用能力、结构紧凑、抗电磁干扰、小型化、低成本、快速响应和良好的稳定性等优势，已在结构健康监测、海洋监测、医疗诊断和环境监测等领域得到广泛开发和应用。一般来说，光纤气压传感器主要分为膜片式和无膜片式两大类型。膜片式的气压传感器的工作原理主要是基于外界气压变化使弹性薄膜材料发生弹性形变来实现气压检测。通过使用具有低弹性模量的薄膜片可以实现超高的气压灵敏度检测。通常，二氧化硅、聚合物、银、石墨烯甚至水膜是最常见的弹性隔膜材料。然而，薄的弹性隔膜材料只能工作在几百千帕量级的有限气压范围内，机械强度较差。此外，膜片式气压传感器自身存在不可避免的缺点，例如由于机械变形通常导致基于膜片的传感器的线性、重复性和弹性都很差，并且有些弹性隔膜材料的制备方法很复杂。因此，和隔膜式气压传感器相比，无隔膜式的光纤气压传感器具有更广阔的应用前景，其工作原理主要是基于气压增加或降低引起光纤传感器本身的折射率变化来实现气压测量。

无隔膜式光纤气压传感器主要分为透射型和反射型两大类型，主要是依据气压变化时，引起光纤传感器的折射率变化从而导致干涉光谱的波谷或峰值波长偏移的原理来实现传感测量。基于这一原理，具有周期性排列气孔分布的光子晶体光纤、空芯光纤(石英毛细管)、空芯光子带隙光纤和微结构光纤是实现气压传感的必要元件，因为这些光纤结构为光与气体相互作用提供了天然流动微通道。例如，全等人通过将单模光纤、空芯光纤和光子晶体光纤级联设计了一种开腔法布里-珀罗干涉仪气压传感器。其中，空芯光纤和光子晶体光纤构成了用于气压传感的开放通道。邱等人将C形光纤与两段切平的单模光纤进行熔接，形成用于气压测量的法布里-珀罗干涉仪，其中C形光纤被用作气体流通通道。陈等人开发了一种基于错位空芯光纤偏移熔接的法布里-珀罗气压传感器，该光纤传感器的制备涉及复杂的银沉积过程，其中空芯光纤被设计用于气体进出入口。侯等人制造了一种基于空芯光纤的反谐振原理机制的气压传感器，该传感器的开放微通道由昂贵的飞秒激光设备和高精度脉冲能量控制进行微加工制备而成。张等人构建了一种基于空芯光子带隙光纤的无隔膜式气压传感器探头，空芯光纤作为气体入口的微流体通道。梁等人提出了一种无膜片式光纤法布里-珀罗干涉型气压传感器，该传感器由单模光纤布拉格光栅和空芯光纤熔接构成。然而，这种光纤传感器结构的温度交叉敏感性相对较高。贾等人报道了一种基于空芯光纤的温度补偿型光纤法布里-珀罗干涉式气压传感器，但该传感器的制备较为困难，需要高精度对准操作及较高的实验技巧和专业的操作技能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于实芯光子晶体光纤的反射型气压传感器及制备方法，具有体积小、价格便宜、容易制备、温度交叉灵敏度低和免电磁干扰等诸多优势。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种基于实芯光子晶体光纤的反射型气压传感器，包括依次连接且外径相同的单模光纤、传输光纤和实芯光子晶体光纤，所述传输光纤为无芯光纤或多模光纤，所述实芯光子晶体光纤的包层中有若干周期性排布的空气孔。

优选地，所述传输光纤的长度为150μm-400μm。

优选地，所述实芯光子晶体光纤的长度为0.5cm-8cm。

优选地，所述单模光纤、所述传输光纤和所述实芯光子晶体光纤的外径均为125μm。