基于空芯光子晶体光纤微位移传感器

1.简介
从1999年开始带隙型光子晶体光纤(PCF)的发展开始，空芯光子晶体光纤(HC-PCF)已经备受注视。空芯光子晶体光纤的几何特点是微结构的空气孔沿周围的空芯光纤的整个长度运行。导光是在这些纤维通过光子带隙取代全内反射(TIR)的来实现，使得需要获得TIR的摆脱几何束缚并且使得捕获的光在空气芯变的有可能。此外，这些纤维表现出显著的优点，例如由于折射率小的不连续性的与外面的世界产生的极小的菲涅耳反射；导光，材料形成的纤维，用天然气填充纤维的核心的能力，以及液体导致的高光/样本重叠[1,2]的低相互作用，这些优势导致基于空芯光子晶体光纤的出色应用，如气体传感[3]，若丹明传感[4]，DNA检测[5]，粒子的指导和悬浮[6]，以及其他。然而，空芯光子晶体光纤出现了支持多种模式的缺点：除了基本核心模式，他们出现了更高阶的核心模式，包层模式和表面模式[7]。即便如此，在沿光纤长度传播后不同类型的模式会有大幅衰减，并且通过一个长纤维光传输后只有核心模式的存在。除此之外，这一与空芯光子晶体光纤的小长度有关的缺点可用于实用的目的。多模式操作在空芯光子晶体光纤的很短的长度中 打开了用光纤传感潜在的有趣的特性建立模态干涉仪的可能性。一种干涉结构模式的基于一块连接两端的用于标准单模式光纤(SMF)的空芯光子晶体光纤完成演示应变和温度的灵敏度[8]。
位移变化的监测，如航空航天，冶金，和复杂结构的健康监测，以及其他领域中是有实际利益的。有了这个作用，由于该技术的已知的优点几种类型的位移传感器分别建立了基于光纤技术，例如，抗电磁干扰，轻重量，遥感能力，和高复用能力。到目前为止，有一定数量的使用光子晶体光纤并基于干涉测量法的位移光纤传感器已被报道：一种模式的干涉仪是通过一个在某一关节由带有核心偏移的SMF-PCF-SMF组成的结构呈现的灵敏度为0.0024 dB/μm的位移变化[9]；在一个萨格纳克效应干涉仪钟采用空芯光子晶体光纤的位移传感器被报道灵敏度为0.28286nm/mm[10]。
 
2.实验装置和结果

用于位移测量结构示意图和传感头如图1所示。该装置的组成包括一个通过一个循环器照明传感头的宽带光源。用一个最低分辨率为10pm的光学频谱分析仪(OSA)观察信号。通过把一块HC-PCF的尾部拼接到SMF制作了传感头，同时使另一端的接头紧贴着——如图1所示为一张接头区域的照片。空芯光子晶体光纤（hc19-1550来自NKT光子）是通过除去来自呈现出20μm的芯型直径，115 μm的直径，间距为3.9μm和空气填充率大于90%的覆盖层的19个小孔来获的，导致在一种多达30种模式的多模式纤维多出几厘米。这对HC-PCF的横截面的照片也可以看到在图1找到。

从图1的插图看，这种传感头提出了一种反射在SMF和HC-PCF之间的界面。此外，在短距离中，HC-PCF呈现了多种传播模式（基本核心模式，高阶核心模式，覆盖层模式和表面模式）。而且，当传感头接近镜子，在引导短距离的HC-PCF中一部分的模式被反射并耦合到HC-PCF。因此，当传感头接近镜子时一种模态干涉仪被获得。这一模式干涉仪的输出将会在传感头与反射镜之间随着微小的位移改变而有规律的变化。因此，随位移测量输出信号的变化，镜子每次被拉开1 μm（相对错误0.5μm）。图2呈现模式干涉仪获得两个不同的2.5cm长的位移的HC-PCF 的。实验观察到的传感头输出信号变化和输入偏振变化是可以忽略的。甚至，一个实验的验证是由传感头的敏感性对温度变化而造成的。据观察，传感头随温度变化的功率忽略的波动 可以不计，因为它是光在空芯光子晶体光纤玻璃传播的预期的一小部分的（<3%）。

图1.用传感头测量位移的装置示意图。

（插图：传感头下面的微照片为传感头中的接头区域；右侧的微镜照片为HC-PCF的横截面）

位移传感头的实验强度响应如图3的点，正方形和三角形所示。可以看出，当位移变化增大时，通过监测在干涉光谱中的一个条纹的变化，该强度可以呈现一种非线性变化作为传感头与反射镜之间的距离的函数。

图2.传感头的干涉信号输出（一个2.5cm的空腔长度和两不同的距离）

图3.随位移变化的传感器强度响应（三种不同的腔的长度）

平方反比法的随位移变化的响应强度与方向相应的方程：

(Pout为输出功率，Pin为输入功率，r为纤维半径，d为位移，θ = sin−1(NA)，k为常数)   这一理论的变化表示在图3中的蓝色，黑色和红色线分别对应5厘米的2.5厘米和1.25cm的传感头。可以从图3观察到，理论值和实验值吻合得很好，除了一开始的几微米的位移。这种方式类似于基于附带额外镜子的标准光纤的传统微位移[12]。对于少数非相互行为得到的最初的几微米。这是由于使用用于传感器头校准校准仪的镜子不允许我们去确保它们是完全平行的，而一个小夹角的出现会造成错误校准在短距离中导致不稳定行为，造成在较大的位移中被忽略。为了提高该传感器的性能，干涉型光纤传感器的特殊信号处理技术能够被使[13]。在图3中给出的数据的线性区域内，得到的灵敏度位移为0.22W/Mμμ（5cm的传感头），0.685 W/Mμμ（2.5cm的传感头），0.727 W/Mμμ（1.25cm的传感头）。该敏感性比光纤位移传感器（基于一个显示有0.00628 W/Mμμ的灵敏度多模塑料50:50耦合器[12]）高两个数量级。另一个从获得的灵敏度中得出的结论为较小长度的传感头的灵敏度更高。通过研究传感器头的特性，干涉光谱的条纹的波长间隔随着传感器头的长度增涨而线性衰减，如图(4)所示。可以看出，对于长度较短的传感头模式干涉仪呈现了更高的峰峰间距。这意味着传感头可针对任何特定情况选取长度进行定做。

图4.传感器探头输出的干涉条纹的峰峰间距的实验变化
每个传感头位移的波长响应的研究。图5呈现了通过分别监测 边缘定位在1602.3 nm和1600.3 nm处的移位（在干涉谱分中别对应2.5cm和1.25cm的传感头）得到的波长响应。干涉条纹的线性移，随着增加位移对应更短的波长，呈现−0.134 nm/mm和−0.3 nm/mm的斜坡分别对应−2.5cm和1.25cm的传感头。5cm的传感头不存在随位移变化的波长转换。
图5.对应位移变化的传感器的波长响应 （传感器的器腔长度2.5cm（A）和（B）1.25cm）

3.结论

一个用于位移测量的空芯光子晶体光纤反射传感头的研究被提出并论证了。据我们所知，这是第一次用空芯光子晶体光纤作为反射位移传感器。该传感结构是通过利用空芯光子晶体光纤反射的一小段的多模行为的优点得到的。将所得的模态干涉仪用于测量传感头和镜之间的位移。强度响应呈现了一种与位移变化响应的距离平方反比，呈现取决于传感头的长度的不同的敏感性。获得的敏感度0.22(μW/μm)，2.5cm/0.685 (μW/μm)和1.25cm/0.727(μW/μm)分别对应5cm，2.5cm和1.25cm的传感头。 传感头的存在可以忽略不计的功率波动的偏振变化。此外，由于只有一小部分的光线传播到空芯光子晶体光纤的玻璃中（<3%），该传感头呈现了可以忽略不计的波动的输出功率和温度变化。易于理解的和紧凑的传感头和所提出的性能的设计为应用程序提供了一个非常有吸引力的解决方案，例如在危险环境中的微位移测量，位置控制和自动控制监测。