基于高度选择性填充的光子晶体光纤光栅压强传感器研究

光子晶体光纤因其截面结构设计上的灵活性，为光纤传感器性能的提升与应用的拓展提供了新的方式方法，将液体材料有选择地填入这种光纤内部指定的空气孔中，从而构成具有双组分材料的光纤，是控制光纤模式特性、进而提升光纤传感器灵敏度的有效途径。本项目针对传统光纤压强传感器灵敏度过低这一问题，拟开展以下理论与实验方面的研究工作：（1）以提高传感器灵敏度为目标，对填充结构、填充材料和传感器结构进行综合优化设计；（2）通过对不同曝光强度下飞秒激光与石英材料之间的非线性作用过程其作用结果的考察，对可行的加工方法进行研究和探索，实现光子晶体光纤快速、有效的选择性填充；（3）根据理论优化结果，研究如何利用石英光纤与填充液体材料性质上的差异，构建光纤应力场的非均匀分布，使光纤内长周期光栅的谐振波长随外界压强发生明显漂移，最终实现压强灵敏度显著提升的研究目标。

压力压强测量是测试测量领域的一项基本技术，在井下勘探等领域具有重要用途。在井下等高温高压的恶劣环境下，传统电子压力传感器无法正常工作，只能采用光纤传感器实施测量。然而，由于石英光纤杨氏模量高，光纤受压时产生的折射率变化和形变较小，压力测量灵敏度有限。本项目针对光纤传感器灵敏度较低的问题，利用具有多孔结构的光子晶体光纤，结合飞秒激光选择填充技术，研究了如何通过构造双组份光纤，实现压力灵敏度的提升，并解决温度交叉敏感等共性问题。项目在以下方面开展了研究并取得进展：第一，基于耦合模式理论和有限元方法，建立了双多组分光纤及其传感器的理论分析方法。该方法首先对多组分光纤在外加压力作用下的三维应力、应变场进行描绘。在此基础上，进行光学模式的求解与分析，从而对其灵敏度进行定量分析，并对如何提升灵敏度进行了理论设计。我们还成功地将该方法扩展到全固态复杂结构光纤和基于复合结构封装的光纤传感器当中，并取得了良好的效果。第二，采用飞秒激光微加工技术，对光子晶体光纤的孔洞结构实现了高度选择性的填充。通过对液体折射率和待填充孔的最优化选取，使光纤基模与液柱中的模式发生相位匹配，从而使能量从纤芯耦合到液柱当中，在透射谱中观察到对应的损耗峰。通过透射峰峰值波长的漂移来感受外界压力，当透射峰波长在1550nm附近时，其压力灵敏度为-0.5 nm/MPa左右，比以往基于PCF的干涉型和长周期光栅型的压力传感器具有更高灵敏度，实现了预计的增敏效果。第三，基于最新型的微结构光纤——简化空芯带隙光纤，构造了F-P型压力传感器，基于上述理论方法对其压力敏感性进行了研究。结合其独特的结构特点，发现由于其微孔间石英臂极薄，应力应变分布主要决定于外层石英包层。传感器的压力响应主要来自于腔长变化，而压力灵敏度主要决定于外层石英包层的厚度，通过氢氟酸腐蚀的方法，减小外层石英包层的厚度，目前已经将压力灵敏度提升了一倍以上，同时温度灵敏度仍保持不变，削弱了温度交叉敏感性。三年来，我们不仅按照设想完成了项目任务，还将产生的理论和实验成果扩展和深化，在光纤传感领域做出了丰富成果，共发表SCI文章11篇，获得国家授权专利3项。