一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器

摘要

本发明提供一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，属于光纤传感技术领域。包括光源模块、温敏器件、监测模块。其中，脉冲源为全光纤锁模光纤激光器；温敏器件为填充温度敏感材料的光子晶体光纤，以降低传输损耗，增强温度敏感性；监测模块是示波器，以便更快的响应，实时记录峰值，从而进行实时温度传感。基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器具有成本低、全光纤结构紧凑、良好的实时响应，灵敏度高、非线性良好等优点。

权利要求

1.一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，其特征在于，包括光源模块、温敏器件、监测模块,所述温敏器件输入端连接光源模块，输出端连接监测模块；所述温度传感器利用高阶孤子裂变发生距离Lfiss随温度变化的敏感度，通过监测模块监测输出脉冲的峰值大小，进行实时温度传感；所述裂变发生的距离Lfiss是高阶孤子达到其最大带宽和2

最窄脉冲宽度的点，被定义为Lfiss＝LD/N；由公式N＝LD/LNL，可知孤子阶数N由脉冲和光纤参数共同决定；其中LD和LNL分别为色散长度和非线性长度；

光子晶体光纤包层中的环形气孔填充温度敏感材料，所述温度敏感材料的折射率与光子晶体光纤相匹配；所述温度敏感材料为折射率与采用的光子晶体光纤相匹配的乙醇水溶液，或甘油水溶液；

所述光子晶体光纤的长度小于25cm；所述温度传感器的温度测量范围为‑40℃～60℃。

2.根据权利要求1所述的一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，其特征在于，所述的光源模块为全光纤锁模光纤激光器，所述的温敏器件为光子晶体光纤。

3.根据权利要求1所述的一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，其特征在于，所述的监测模块为示波器，用于实时记录峰值，从而进行实时温度传感。

说明书

一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器

技术领域

[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器。

背景技术

[0002] 随着现代科学技术的飞速发展，信息在其中发挥了越来越重要的作用。传感器作为能将一种能够将被测信号转换为其他形式信息输出的检测器件，逐渐引起了人们的关注。近几十年来，在工程、化学、生物医学、军事、航空航天等诸多科研领域及生产生活中得到了广泛的应用。其中，温度传感器应用最为普遍。然而，普通温度传感器易受周边环境的影响，存在工作不稳定，灵敏度低，结构复杂等缺点，这极大限制了其使用范围。基于光子晶体光纤的温度传感器具有结构紧凑、易于遥控、灵敏度高等优点，能够适应复杂的环境，且作为一种新兴的传感器，存在广阔的发展前景。

[0003] 近年来，兴起了许多关于光子晶体光纤的温度传感器，2012年，伍铁生等人采用Sagnac干涉仪结构，设计了一种高双折射光子晶体光纤温度传感器，温度灵敏度高达8.837nm/℃。2017年，高红春等人设计了一种高温光子晶体光纤温度传感器，通过在光子晶体光纤末端熔接一段纯石英无芯光纤，构成外腔式光纤法珀腔(EFPI)结构，在27‑1000℃范围内，温度灵敏度为(0.851+0.0023T～0.000000957T)nm/℃。同年，N.Nallusamy等人提出一种在CS2填充光子晶体光纤中基于调制不稳定过程的高灵敏度非线性温度传感器，采用斯托克斯线和反斯托克斯线的灵敏度分别达到82nm/℃和435nm/℃。2020年，Sun Y等人利用乙醇填充碲酸盐光子晶体光纤中的四波混频效应，演示了一种中红外温度传感器，其灵敏度高达0.70nm/℃。然而，到目前为止，研究主要集中在对于信号波长变化，包括中心波长和峰值的变化的理论分析上，很少有针对实时温度传感这一方面的研究，无法满足对燃烧过程和化学反应过程实际应用的需求。

发明内容

[0004] 针对实时温度传感的研究空白，本发明是一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，在高阶孤子压缩过程中，温度变化会引起高阶裂变发生距离Lfiss的改变，从而影响输出脉冲的峰值。通过示波器对输出脉冲的峰值实时记录，进而实现实时温度传感。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器,包括光源模块、温敏器件、监测模块,所述温敏器件输入端连接光源模块，输出端连接监测模块；所述温度传感器利用高阶孤子裂变发生距离Lfiss随温度变化的敏感度，通过监测模块监测输出脉冲的峰值大小，进行实时温度传感。

[0006] 进一步地，所述的光源模块为全光纤锁模光纤激光器，所述的温敏器件为光子晶体光纤。

[0007] 进一步地，所述的光子晶体光纤包层中的环形气孔填充温度敏感材料，所述温度敏感材料的折射率与光子晶体光纤相匹配，以降低传输损耗，增强温度敏感性。

[0008] 进一步地，所述温度敏感材料为折射率与采用的光子晶体光纤相匹配的一定体积分数的乙醇水溶液，或甘油水溶液。

[0009] 进一步地，所述光子晶体光纤的长度小于25cm。

[0010] 进一步地，所述的监测模块为示波器，拥有更快的响应速度，用于实时记录峰值，从而进行实时温度传感。

[0011] 进一步地，所述温度传感器的温度测量范围为‑40℃～60℃。

[0012] 与现有技术相比，本发明的一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，其优势在于：

[0013] (1)与传统温度传感器相比，成本低、全光纤结构紧凑、良好的实时响应；

[0014] (2)光子晶体光纤具有超强的抗弯曲特性、良好的耐辐照特性，比起其他传统石英光纤更具备适应复杂环境的优点；

[0015] (3)光子晶体光纤具有灵活的色散裁剪特性，通过改变空气孔的大小与间距，可以改变其色散及色散斜率；

[0016] (4)光子晶体光纤具有空分复用特性，可以进行灵活的空间排布可利用光子晶体复用光纤技术制造空分多芯光纤，实现高速传输；

[0017] (5)本发明的基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，高阶孤子压缩过程中，输出脉冲的峰值对温度变化的灵敏度高，灵敏度最大可达4.91W/℃，测量范围广，可从‑40℃～60℃；

[0018] (6)本发明的基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，使用示波器作为监测模块，能够实时测量输出脉冲峰值的变化，实现实时温度传感。

附图说明

[0019] 图1为实施例的一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器的结构示意图；

[0020] 图2为空气孔填充乙醇的光子晶体光纤截面图；

[0021] 图3为填充乙醇的光子晶体光纤在不同温度下的色散曲线；

[0022] 图4为填充乙醇的光子晶体光纤在1560nm处的群速度色散值和非线性系数与ΔT的关系图；

[0023] 图5为空气孔填充乙醇的光子晶体中Lfiss值与ΔT的关系图；

[0024] 图6为随着温度的升高，填充乙醇的光子晶体光纤中所计算的时间分布的演变图；

[0025] 图7为输出脉冲峰值强度随温度的变化图；

[0026] 图8为T＝‑40℃时输出脉冲的峰值强度和半高宽随光纤长度的变化图；

[0027] 图9为T＝60℃时输出脉冲的峰值强度和半高宽随光纤长度的变化图；

[0028] 图10为温度传感器的灵敏度随光纤长度的变化图。

[0029] 附图标记：1‑为全光纤锁模光纤激光器；2‑填充敏感材料的光子晶体光纤；3‑示波器。

具体实施方式

[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0031] 实施例

[0032] 本实例提供的一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，其结构如图1所示，其主要由三部分组成，包括光源模块、温敏器件、监测模块，所述温敏器件输入端连接光源模块，输出端连接监测模块；所述温度传感器利用高阶孤子裂变发生距离Lfiss随温度变化的敏感度，通过监测模块监测输出脉冲的峰值大小，进而实现实时温度传感。

[0033] 其中，光源模块为全光纤锁模光纤激光器1，本实例采用的是1560nm的飞秒激光器，其脉宽为～200fs、重复频率为～50MHz、最大平均功率为～60mW；

[0034] 其中，温敏器件为包层的环形气孔中填充温度敏感材料的光子晶体光纤2，本实例中采用的温敏材料为折射率与光子晶体光纤相匹配的乙醇水溶液；

[0035] 其中，光子晶体光纤为六孔单芯的正六边形结构(但并不局限于正六边形结构)，其截面如图2所示，气孔直径为7.6μm，相邻两个气孔的芯距为8μm，纤芯直径为9μm，总长度为～25cm；

[0036] 其中，监测模块是示波器3，本实例中采用的示波器型号为DPO2024B。

[0037] 本实例提供的一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，其原理如下：

[0038] 高阶孤子压缩是一种非线性光学过程，发生在超连续谱(SC)产生的初始阶段。当脉冲被注入到光纤中时，传输的初始阶段由光谱展宽所主导。在这一阶段，群速度色散(GVD)和自相位调制(SPM)的共同作用会产生强烈的时间压缩。裂变发生的距离(Lfiss)通常2
是高阶孤子达到其最大带宽和最窄脉冲宽度的点，它可以被定义为Lfiss＝LD/N。由公式N ＝LD/LNL，可知孤子阶数N由脉冲和光纤参数共同决定。其中LD和LNL分别为色散长度和非线性长度。对于基阶孤子(N＝1)，在传输过程中光谱和时间分布都保持不变，而高阶孤子(N≥2)在Lfiss距离处经历时间压缩过程。温度变化会引起Lfiss的变化，从而影响输出脉冲的峰值。
因此，高阶孤子压缩过程可以利用示波器在时间区域记录峰值来进行实时温度传感。

[0039] A.本实例采用的温度敏感材料为乙醇，图3～5对填充75％乙醇水溶液的光子晶体光纤进行了测试。

[0040] 图3、4是计算了不同温度下充满乙醇溶液的光子晶体光纤出的色散曲线以及在1560nm处随温度变化的群速度色散(GVD)和非线性系数γ。乙醇溶液通过气体压力和毛细管作用被填充到空气孔中。乙醇具有较高的热光系数，其折射率随温度变化，可用下式计算：

[0041] n＝n0‑α(T‑T0)

[0042] 式中，n0是乙醇在T0温度下的折射率，α是乙醇的热系数。T0、n0和α的值分别为20‑4 ‑4℃、1.36048和3.96×10 RIU /℃。提出的光子晶体光纤传感器的背景材料是二氧化硅。色散关系可以由Sellmeier公式通过

[0043]

[0044] 其中B1＝0.6961663，B2＝0.4079426，B3＝0.8974794，λ1＝0.0684043μm，λ2＝0.1162414μm，λ3＝9.896161μm。从图4可以看出，当ΔT从‑40逐渐增加到60℃时，在1560nm处的非线性系数γ绝对值和相应的群速度色散(GVD)值同时越来越大。

[0045] 图5中给出了充满乙醇溶液的光子晶体光纤中的Lfiss值与ΔT的关系，其中当ΔT从‑40增加到60℃时，Lfiss值在25.2cm‑24.0cm之间变化。因此，温度变化会导致GVD值、γ值和Lfiss值的变化，从而利用这些参数来验证温度的变化。

[0046] 根据图3～5的数据所示，填充乙醇的光子晶体光纤对温度存在明显的的敏感，是一种可行的温度敏感材料。

[0047] B.本实例提供的一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，测试了随着温度的升高，填充乙醇的光子晶体光纤中时间分布的演变以及输出脉冲峰值强度的变化。

[0048] 本实例采用的是1560nm的飞秒激光器，其脉宽为～200fs、重复频率为～50MHz、最大平均功率为～60mW。光子晶体光纤材料为二氧化硅，将乙醇填充到空气孔中。先将光子晶体光纤的长度设置为11cm，泵浦激光的峰值功率设置为5000W。图6显示了在填充乙醇的光子晶体光纤中计算的时间分布随温度的演变。由于光纤长度和峰值功率固定，高阶孤子压缩会受到非线性系数γ和群速度色散GVD值变化的影响。由图可知，获得了6573～6727W的2
时间剖面峰值。在ΔT＝0时，抽运波长的GVD值为‑46.28ps/km，裂变距离为24.66cm。因此，设置的11cm的光纤长度对于高阶孤子压缩是合理的，可以保持单个脉冲的状态，避免其他非线性效应的影响。随着对Lfiss传输长度的逐渐增加，脉冲宽度将减小到一个最小值，相应的峰值将增大到最大值。

[0049] 根据该时间区域检测方法，通过测量时间区域中峰值强度的偏移来检测温度变化，将灵敏度定义为：

[0050]

[0051] 其中，Ipeak,T分别为峰值强度和温度

[0052] 图7显示了输出脉冲峰值强度随温度变化的变化情况。当ΔT设置为‑40℃、‑30℃、‑20℃、‑10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃和60℃时，相应的峰值强度分别为6573.1W、6587.1W、6614.5W、6628.5W、6642.6W、6656.6W、6670.6W、6684.7W、6698.8W、
6712.9W和6727.2W。图7中的传感响应是相对线性的，计算出灵敏度为1.52W/℃，在‑40到60
2
℃范围内具有良好的线性(R＝0.99311)。

[0053] C.本实例提供的一种基于高阶孤子压缩过程的全光纤实时温度传感器，模拟了输出脉冲峰值、半高宽、在固定温度下随光纤长度变化的情况并计算处其灵敏度的变化情况。

[0054] 如图8、9所示，模拟了ΔT＝‑40℃和60℃时输出脉冲的峰值强度和半高宽随光纤长度的变化情况。光纤长度从0增加到24cm，峰值强度逐渐增大，半高宽逐渐被压缩。根据图8、9中的数值结果，计算了相应的灵敏度，如图10所示。传输距离从0‑21cm时，灵敏度从0‑
4.91W/℃；长度从21cm‑24cm时，灵敏度突然下降，从4.91W/℃‑2.74W/℃。在光纤的初始阶段，脉冲被压缩得越来越快，相应的峰值斜率也越来越大，因此灵敏度从0到21cm逐渐提高。
在光纤长度为21～24cm范围内，脉冲压缩越来越慢，导致灵敏度降低。

[0055] 以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。