光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)是由带气孔的微结构包层和纯二氧化硅的纤芯组成^[1]，和传统的光纤相比，PCF具有很多独特的性能^[2].PM-PCF(polarization-maintaining PCF) 作为PCF的改良结构，将纤芯附近的两个小空气孔改成较大的空气孔来获得更高的双折射值，通常能达到10^-3数量级；另外，PM-PCF是由纯净的二氧化硅制成，因此具有极低的热光系数，非常适用于制作温度不敏感设备.

光纤环镜(fiber loop mirror，FLM)结构简单，体积小，灵敏度高，一直是近几年来被广泛研究的传感结构^[3].研究者们在传统单模光纤环镜中熔接一段高双折射光纤^[4]，利用其光谱干涉现象来实现对外界参量的检测^{[5, 6]}.但是由于传感单元在FLM内部，外界的扰动会对测量精度造成影响，因此FLM不适用于恶劣的工作环境和远距离传输.2011年，Frazao等^[7]对上述光纤环镜结构进行了改进，将传感单元以探头的形式与FLM分离，即长尾式光纤环镜结构.

扭转角度在产品结构生产和机械测量等领域是一个很重要的性能参数，因此参数的精确测量尤为重要.目前，已有文献^{[8, 9, 10]}报道过基于布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating，FBG)、长周期光纤光栅(long period grating，LPG)和保偏光纤(polarization-maintaining fiber，PMF)的扭转角度传感器.其中，基于FBG的扭力传感器^[8]是将FBG绕到一个轴上，通过扭转轴使FBG产生形变，此种结构的缺点是：扭转角度的测量范围受到轴的旋转角度的限制，而且FBG对温度十分敏感，外界温度变化会对测量结果产生影响.基于LPG的扭转角度传感器^[9]是利用一段被氢氟酸腐蚀掉包层的LPG实现传感，实验测得灵敏度为6.28×10^-4 nm/(°)；基于PMF的扭转角度传感器^[10]是将FBG和PMF相结合，获得了0.3°的最小分辨力.

本文将PM-PCF和长尾式光纤环镜二者有机结合，利用PM-PCF的高双折射效应及温度不敏感特性和长尾式光纤环镜的实际应用价值设计了一种角度传感器，在PM-PCF传感单元末端镀一层银膜，当PM-PCF传感单元被扭转一定角度时，环镜内的干涉会受到影响，从光谱仪上可以观测到干涉谱的偏移.

本文提出一种基于PM-PCF的长尾式光纤环镜角度传感器，如图 1所示.

中心波长为1550nm的宽谱光源发出的光经过耦合器1进入光纤环镜，沿着顺时针和逆时针传播的两束光经过耦合器2之后，一束光经过通道7与传感区域相连，在PM-PCF传感单元的末端镀有银膜形成反射式的探头结构，另一束光经过通道8插入折射率匹配液.显然，传输路径为3→5→7→6→4和4→6→7→5→3的两束光波由于PM-PCF的作用将产生周期分布的干涉谱，返回的光谱由光谱仪接收.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 长尾式光纤环镜角度传感器原理图 Fig. 1 Schematic of torsion sensor based on FLM with an output port probe

系统的传感区域示意图如图 2a所示，一段PM-PCF作为扭转角度施加的传感单元，与通道7的单模光纤低损耗熔接之后固定在两个同轴支架上，插图为实验中所用的PM-PCF截面，其小孔直径3.2μm，大孔直径7μm，孔间距5.46μm.如图 2b所示，通过旋转PM-PCF的旋转端来施加旋转角度，支架上有角度的标定.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 传感区域示意图和扭转角度实验装置图 Fig. 2 Schematic of the sensing area and experimental setup for applying the twist angle(a)—传感区域示意图； (b)—扭转角度实验装置图.

当传感单元被旋转一定角度θ时，PM-PCF中会产生相位延迟Φ_R(θ)，并且是扭转角度的函数^[11]：

当扭转角度发生变化时，PM-PCF的双折射会发生改变，光谱移动的相位差可以表示为

对于PM-PCF，光纤扭曲造成的相位延迟要强于光纤固有的双折射效应，根据文献[12]可知，由于光纤被扭转而造成的相位延迟可以表示为

对于已经制成的光纤，原始的相位延迟Φ₀是已经确定好的，所以干涉谱的移动Δλ和扭转角度θ的关系可表示为

从式(3)可以看出，其图形类似于Sinc函数，结合式(4)可知，Δλ和扭转角度θ也呈Sinc函数关系，且灵敏度由∂Φ_R(θ)/∂θ决定.

将PM-PCF扭转一定的角度，从光谱仪上可以观察到如图 3所示的干涉谱.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 一定扭转角度下的干涉谱 Fig. 3 Interference spectrum at a certain twist angle

从图 3可以看出，干涉峰中夹杂了很多噪声信号，经分析主要为熔接点不匹配带来的噪声和光源的噪声，为了准确判断波峰的位置，本文采用FIR低通数字滤波器对数据进行滤波处理.

实验中将PM-PCF从0°开始，每次增加11.25°，扭转到405°，分别记录PM-PCF扭转不同角度后的干涉谱情况，经过滤波处理之后的数据如图 4所示.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 不同扭转角度下的干涉谱 Fig. 4 Interference spectra at different twist angles

考虑到干涉谱的清晰度，图 4仅表示出每隔22.5°的干涉谱情况，提取出中波长为1547nm附近的干涉峰随扭转角度增大的变化情况，结果如图 5所示.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 干涉峰(1547nm)的偏移量与扭转角度的关系 Fig. 5 Relationship between the wavelength shifts and the twist angle at 1547nm

从图 5可以看出，随着扭转角度以11.25°的步长增加，干涉峰中心波长的变化呈Sinc函数形式，与上文理论分析相符，虚线范围内(67.5°～168.75°)为线性变化区域，对其进行线性拟合后其灵敏度约为0.0617nm/(°)，实验中使用的光谱仪分辨率为0.01nm，因此该传感器的最小分辨力可达0.16°，实际应用中，可以先把保偏光子晶体光纤预先扭转一定角度，使其工作在线性区域内，因此其测量范围可达0°～101.25°.

另外，考虑到PM-PCF的双折射效应也受温度的影响，对该传感器做一个温度响应的测试，将实验装置放置于温控箱中，控制温度从20℃升高到70℃，每隔5℃测量一次干涉谱.实验发现，共振峰的干涉谱一共向短波长方向偏移了30pm，即该扭转角度传感器的温度灵敏度为 0.6pm/℃，而在进行扭转角度测量时，室温控制在(27±2)℃，波长最大偏移为2.4pm，可以忽略不计.

1) 本文将保偏光子晶体光纤和长尾式光纤环镜二者有机结合，利用PM-PCF的高双折射效应及温度不敏感特性和长尾式光纤环镜的独立反射式探头设计了一种新型扭转角度传感器.

2) 从理论上分析了方案的可行性：当PM-PCF被扭转一定角度时，其双折射值发生改变，最终可由光谱仪观测到干涉谱的偏移.

3) 实验测得，本文提出的基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器，在测量范围为0°～101.25°时，灵敏度约为0.0617nm/(°)，若光谱仪分辨率为0.01nm，则该传感器的最小分辨力可达0.16°.