光子晶體光纖壓力傳感器穩定性研究

在應力作用下PCF 的光學(xué)特性會(huì )發(fā)生改變， 并導致PCF 纖芯有效折射率發(fā)生改變， 根據彈光理論， 這個(gè)改變量可表示如下：

式中， n0 為纖芯未受壓力時(shí)的折射率； E 為楊氏模量；γ 為硅光纖泊松比； p 11、p 12 均為PCF 彈光系數。

PCF 的物理參數取值如下： n0 = 1. 47,γ = 0. 17,E = 7. 3 1010 Pa, p 11 = 0. 113, p 12 = 0. 252, 則可根據式（ 1） 和式（ 4） 計算特定壓力作用下PCF 纖芯有效折射率的改變量。

在PCF 壓力傳感器系統中， 敏感元件采用折射率引導型PCF, 根據光波導理論， 光脈沖在PCF 中傳播距離L 后的相位延遲量為：

式中， L 為PCF 的長(cháng)度； n為纖芯折射率分布； 為光波在光纖中的傳播波長(cháng)。在外界壓力作用下， PCF中會(huì )產(chǎn)生應力， 由于應力作用， PCF 的長(cháng)度、橫截面結構及折射率分布將出現波動(dòng)， 并引起相位延遲的波動(dòng)， 可以在PCF 傳感器輸出端采用特殊的裝置檢測出這種改變， 并進(jìn)一步檢測出外界環(huán)境壓力的改變， 這就是PCF 壓力傳感器的基本原理。

2 PCF 壓力傳感器系統組成及穩定性分析

根據PCF 壓力傳感器的基本原理， 我們提出如圖2 所示的系統模型。圖中， （ a） 為傳感器整個(gè)系統； （ b） 為傳感器的敏感元件， 它由導入光纖L1、傳感元件L2 和導出光纖L3 組成； （ c） 為PCF 壓力傳感器的信號探測系統， 它由若干探測信道組成， 每個(gè)探測信道包括分束器、延遲板、分析儀和光電探測器； （ d） 為信號處理單元， 它主要由放大電路、濾波器、模/ 數（ A/ D） 轉換器及計算機系統組成。PCF壓力傳感器系統的光源可采用Nd3+ : YAG 固體激光器或光纖激光器， 其發(fā)出的激光信號經(jīng)過(guò)耦合器進(jìn)入傳感器敏感元件PCF, PCF 壓力傳感器輸出的光信號經(jīng)過(guò)光電探測系統轉換為電信號， 電信號經(jīng)放大濾波后由計算機檢測處理。

圖2 PCF 壓力傳感器系統模型

對式（ 5） 進(jìn)行微分， PCF 壓力傳感器激光光源發(fā)出的光脈沖經(jīng)過(guò)敏感元件后其相位波動(dòng)可表示為：

式（ 6） 表明， 對傳感器傳播光脈沖相位產(chǎn)生影響的主要因素有激光光源波長(cháng)的波動(dòng)、敏感元件PCF 折射率和長(cháng)度的波動(dòng)。如果在PCF 壓力傳感器系統中存在壓力以外的其他因素引起傳播脈沖相位波動(dòng)， 則這些因素會(huì )對整個(gè)傳感器系統的穩定性造成影響。下面主要從傳感器激光光源和環(huán)境溫度兩個(gè)方面進(jìn)行理論分析。

2. 1激光光源影響

對于固體激光器或光纖激光器光源， 其輸出脈沖都有一定的光譜范圍， 都會(huì )在中心波長(cháng)附近波動(dòng)，這個(gè)波長(cháng)波動(dòng)會(huì )導致脈沖相位差的波動(dòng)， 根據式（ 6） , 這個(gè)波動(dòng)可表示為：