2016, Vol. 37
近年来，光纤应变传感器已经应用于工程领域，并吸引了许多研究者的目光.目前，光纤应变传感器主要基于光纤光栅[1-3]、长周期光纤光栅[4-6]、马赫增德尔干涉仪[7-10]、光纤环[11-12]等.这些结构具有简单的结构，但是也存在一些缺点，例如光纤光栅需要复杂和昂贵的刻录工艺，需要CO2激光或者是UV激光.因此，光纤光栅在传感领域的应用受到了一定的限制.另外，马赫增德尔干涉结构也广泛应用在应变测量中，但是此种结构测量应变的灵敏度普遍较低.另一种方案是使用光纤环测量应变，光纤环又称Sagnac干涉仪，其结构简单、灵敏度高，因而近几年被广泛研究，并将其用在光纤传感领域，常被用来进行温度、应变、角速度等的传感.通常，Sagnac干涉仪是在一个3 dB耦合器中间熔接一段保偏光纤或者是高双折射光纤制作而成.近年来基于光子晶体光纤的Sagnac干涉环被广泛研究[11-12].但是，现在普遍采用的是光子晶体保偏光纤和光子晶体双折射光纤，这两种光纤相对于普通的光子晶体光纤具有价格昂贵、生产复杂的劣势.
本文提出了一种基于酒精选择性填充光子晶体光纤的Sagnac干涉仪结构，并用于测量应变.这种结构将光子晶体保偏光纤或者光子晶体双折射光纤替换为经过酒精选择性填充的普通光子晶体光纤，由于酒精的选择性填充使光子晶体光纤产生折射率不对称结构，因此内部产生了双折射特性，进一步形成Sagnac干涉仪，并用于测量应变.
1 实验原理与分析图 1是Sagnac干涉仪应变传感器，Sagnac干涉仪的一般结构是由光源、光纤回路、光纤耦合器和光子晶体光纤组成.
|
图 1 Sagnac干涉系统 Fig.1 Sagnac interference system |
光源发出的光经过耦合器后，被分成顺时针和逆时针相反方向传播的两束光，所经过的光路途径相同.当干涉仪不受外力作用或者没有双折射效应的时候，其中顺逆时针传播的两束光程差为零，当干涉仪在光纤回路的非中心点的某个位置受到干扰作用或者使用双折射光纤时，两束光之间形成了相位差.双折射光纤产生双折射的原理是光纤的折射率不对称分布.本文中，通过对普通光子晶体光纤空气孔的酒精选择性填充，形成光子晶体光纤折射率的不对称分布，如图 2所示.从图中可以看出，已经有明显的折射率不对称分布.
|
图 2 光子晶体光纤酒精填充前后折射率分布图 Fig.2 Refractive index profile of the PCF before alcohol filling and after alcohol filling (a)-酒精填充前；(b)-酒精填充后. |
图 3是填充酒精之后的光子晶体的模式分布图，图 3a是Ex模式的分布图，其有效折射率为1.446 296，图 2b是Ey模式的分布图，其有效折射率为1.446 299，Ex≠Ey，可以得出，填充酒精之后的光子晶体光纤能够产生双折射效应.
忽略光纤Sagnac环的插入损耗，光纤环的透射谱可以描述为
|
图 3 光子晶体光纤模式分布图 Fig.3 Modes distribution of the alcohol filling PCF (a)-Ex模式；(b)-Ey模式. |
|
(1) |
其中：ψ=2πLB/λ为干涉环的相位差；L为光子晶体光纤的长度；B为光子晶体光纤的双折射值；λ为工作波长.不同波峰之间的距离S可以描述为
|
(2) |
当光子晶体光纤的应变发生改变时，双折射值B发生变化，因此，相位差Δψ也随之变化，如式(3)所示：
|
(3) |
相位差的变化，进一步因此输出光谱波长的变化，如式(4)所示：
|
(4) |
根据式(2)~式(4)，可以得出，Sagnac干涉谱会随着施加应变的变化而变化.因此Sagnac干涉仪可以用于测量应变.
2 实验结果与讨论在实验中，使用一段20 cm长的光子晶体光纤被，但是由于普通光子晶体光纤的折射率差是对称分布的，因此不能产生双折射效应.在本文中，为了实现光子晶体光纤的折射率不对称特性，将光子晶体光纤的部分空气孔进行塌陷，如图 4所示，之后使用空气加压法，将酒精填充进光子晶体光纤中，由于光子晶体光纤空气孔的不对称塌陷，只能使酒精填充进部分空气孔，进而形成光子晶体光纤非对称的折射率分布.通过控制放电次数，可以控制光子晶体光纤中酒精填充的量，如图 4a~4d所示，分别是放电2次、5次、8次和11次的显微镜图.从图 4中可以看出，当放电2次时并没有发生明显塌陷，当放电次数为5次时出现明显塌陷，并且是不对称的，当放电次数为8次时空气孔已经全部塌陷，当放电次数为11次时，塌陷区明显增长.由原理分析可知，为了使光子晶体光纤能够产生双折射效应，应使光子晶体光纤的空气孔进行不对称塌陷，并将酒精填充到未进行塌陷的空气孔内，形成光子晶体光纤的折射率的不对称分布.由图 4可知，当放电次数为5次时，光子晶体光纤的部分空气孔塌陷，因此在实验中应将放电次数控制在5次左右.
之后将酒精选择性填充的光子晶体光纤与单模光纤进行熔接，如图 4 e所示，并将其嵌入到Sagnac干涉环中，系统如图 1所示.
|
图 4 光子晶体光纤塌陷区显微镜图 Fig.4 Microscope figures of the PCF collapsed area (a)-放电2次；(b)-放电5次; (c)-放电8次；(d)-放电11次; (e)-光子晶体光纤与单模光纤熔接. |
图 5是基于酒精选择性填充光子晶体光纤的Sagnac干涉环在1 520~1 570 nm范围的透射光谱，其中插图为无光子晶体光纤时的光谱.从图 5可以看出，干涉谱具有良好的消光比，其干涉深度达到20 dB，其波谷在1 542.76 nm处.由于此系统使用的是宽谱光源，而没有使用偏振器，此传感系统的输出光谱是稳定的.
|
图 5 Sagnac干涉环透射光谱 Fig.5 Transmission spectrum of the Sagnac interference loop |
在实验中，将光子晶体光纤的两端分别固定在两个微位移平台上，并通过调整微位移平台给光子晶体光纤施加应变，图 6是不同应变值时的Sagnac干涉环的透射光谱.
|
图 6 不同微应变时的Sagnac干涉环的透射光谱 Fig.6 Transmission spectra of Sagnac interference loop with different micro strain |
从图 6可以看出，当微应变量从0变化到3 958时，透射光谱发生了明显的移动，其波谷一共移动了13.5 nm.图 7为透射光谱波谷的波长与应变值的拟合直线，从图 7可以得出，基于酒精选择性填充的Sagnac干涉环测量微应变的灵敏度能够达到3.66 pm.
|
图 7 透射光谱波长与应变值的拟合直线 Fig.7 Fitting line of the spectra wavelength and strain |
本文利用酒精选择性填充普通光子晶体光纤的方法，使无截止光子晶体光纤产生双折射效应，并嵌入到Sagnac干涉环系统测量应变.实验结果表明，此系统测量微应变的灵敏度能够达到3.66 pm，并具有良好的线性度.与传统的基于光纤光栅和保偏光子晶体光纤应变传感器相比，此系统具有成本低、制造简单、稳定性高等优点.
| [1] | Lau K, Yuan L, Zhou L, et al. Strain monitoring in FRP laminates and concrete beams using FBG sensors[J]. Composite Structures , 2001, 51 (1) : 9–20. DOI:10.1016/S0263-8223(00)00094-5 |
| [2] | Kesavan K, Sundaram B A, Ahmed A K F, et al. Performance assessment of indigenously developed FBG strain sensors under short-term and long-term loadings[J]. Sadhana , 2015, 40 (2) : 577–590. DOI:10.1007/s12046-014-0316-8 |
| [3] | Zhang Z, Yan L, Pan W, et al. Sensitivity enhancement of strain sensing utilizing a differential pair of fiber Bragg gratings[J]. Sensors , 2012, 12 (4) : 3891–3900. |
| [4] | Tahir B A, Saeed M A, Ahmed R, et al. Long-period grating as strain sensor[J]. Journal of Ovonic Research , 2012, 8 (5) : 113–120. |
| [5] | Denga M, Tang C P, Zhu T, et al. Highly sensitive bend sensor based on Mach-Zehnder interferometer using photonic crystal fiber[J]. Optics Communications , 2011, 284 (12) : 2849–2853. DOI:10.1016/j.optcom.2011.02.061 |
| [6] | Shin W, Lee Y L, Yu B A, et al. Highly sensitive strain and bending sensor based on a fiber Mach-Zehnder interferometer in photonic crystal fiber[J]. Optics Communications , 2010, 283 (10) : 2097–2101. DOI:10.1016/j.optcom.2010.01.008 |
| [7] | Qi F, Hu L, Dong X, et al. A hollow core fiber-based intermodal interferometer for measurement of strain and temperature[J]. IEEE Sensors Journal , 2013, 13 (9) : 3468–3471. DOI:10.1109/JSEN.2013.2263798 |
| [8] | Dong B, Hao E J. Core-offset hollow core photonic bandgap fiber-based intermodal interferometer for strain and temperature measurements[J]. Applied Optics , 2011, 50 (18) : 3011–3014. DOI:10.1364/AO.50.003011 |
| [9] | Aref S H, Amezcua-Correa R, Carvalho J P, et al. Modal interferometer based on hollow-core photonic crystal fiber for strain and temperature measurement[J]. Optics Express , 2009, 17 (21) : 18669–18675. DOI:10.1364/OE.17.018669 |
| [10] | Sun B, Huang Y, Liu S, et al. Asymmetrical in-fiber Mach-Zehnder interferometer for curvature measurement[J]. Optics Express , 2015, 23 (11) : 14596–14602. DOI:10.1364/OE.23.014596 |
| [11] | Han Y G. Temperature-insensitive strain measurement using a birefringent interferometer based on a polarization-maintaining photonic crystal fiber[J]. Applied Physics B , 2009, 95 (2) : 383–387. DOI:10.1007/s00340-008-3350-6 |
| [12] | Dong X, Tam H Y, Shum P. Temperature-insensitive strain sensor with polarization-maintaining photonic crystal fiber based Sagnac interferometer[J]. Applied Physics Letters , 2007, 90 (15) : 151113. DOI:10.1063/1.2722058 |