新型邊孔型保偏光子晶體光纖的靜壓力傳感特性研究

新型邊孔型保偏光子晶體光纖的靜壓力傳感特性研究

0保偏光子晶體光纖動靜壓力靈敏度在鉆井監(jiān)測的應用中，井環(huán)境相對較差，溫度可達到數(shù)百扇門，壓力可達到數(shù)十兆帕?？朔囟鹊挠绊?，正確測量臨床壓力對提高采油效率非常重要?；诓祭餃Y散射的光纖分布式傳感中，布里淵頻移已經(jīng)被廣泛應用于光纖沿線的溫度和應變的傳感研究表明，在領結型（兩種）、熊貓型普通保偏光纖和PM-1550-01商用保偏光子晶體光纖中，基于BDG的雙折射頻移的靜壓力靈敏度分別為+94.27MHz/MPa、+113.13MHz/MPa、+124.73MHz/MPa和-245.11MHz/MPa，普通保偏光纖中基于布里淵頻移的靜壓力靈敏度1.5MHz/MPa?？梢姡啾扔谄胀ūＦ饫w中基于布里淵頻移的靜壓力靈敏度，普通保偏光纖基于BDG的雙折射頻移的靜壓力靈敏度提高了65～86倍，PM-1550-01商用保偏光子晶體光纖基于BDG的雙折射頻移的靜壓力靈敏度提高了169倍本文設計了一種纖芯區(qū)域被一層較小空氣孔包圍且包層沿縱軸對稱引入一對大空氣孔的新型邊孔型保偏光子晶體光纖，該PM-PCF基底材料為SiO1基本原則1.1光纖模型已有研究表明，邊孔型光子晶體光纖在壓力傳感上有較好的性能背景材料SiO式中，B1.2光纖生產(chǎn)的可行性XIEHM等1.3探測波疫情的理論模型保偏光纖中的BDG本質上是相向傳播的泵浦波之間的受激布里淵散射（StimulatedBrillouinScattering,SBS）效應激發(fā)的相干聲波場，用于反射正交偏振態(tài)注入的探測波BDG的理論模型是通過四束光波和一個聲波場組成的耦合波方程來組建的式中，i是虛部單位，I式中，k式中，Δn=|n通過化簡模型，求解方程組（2）得到光纖長度為L的穩(wěn)態(tài)BDG的反射率其中式中，g式中，p1.4靜壓力場的數(shù)值分析實際環(huán)境中PM-PCF所受的靜壓力如圖3(a）所示，藍色代表均質流體，由于光纖縱向長度與橫截面尺寸相比要大得多，作用的外力垂直于光纖軸線并沿長度不變，因此光子晶體光纖的應力分析屬于典型的平面應變問題。此時，可忽略軸向應變并通過平面應變假設將模型進行二維簡化，簡化后的二維模型受力情況如圖3(b）所示。當該PM-PCF所受的靜壓力為P時，光纖包層中的空氣孔發(fā)生形變并使光纖自身參數(shù)E、k、ρ發(fā)生相應的變化，分別記為E(P）、k(P）、ρ（P）。利用有限元法對該二維模型的靜壓力場數(shù)值分析可確定應力σ式中，nPM-PCF環(huán)境溫度變化時會產(chǎn)生形變，形變受到約束時會產(chǎn)生熱應力熱光效應是指光纖的環(huán)境溫度有所變化時，會使光纖自身參數(shù)E、k、ρ發(fā)生相應的變化，用溫度T的函數(shù)來表示可記為E(T）、k(T）、ρ（T），進而導致材料的折射率亦隨之變動的性質，一般由式（11）中的熱光系數(shù)來表示熱光效應的強弱。式中，ζ是SiO可見靜壓力和溫度的變化都會使光纖材料的折射率以及光纖自身參數(shù)E、k、ρ等發(fā)生改變，通過上述對溫度T、靜壓力P作用下的光纖有限元模型的數(shù)值分析可得n因此通過測量獲取光纖雙折射頻移的變化，就可以得出此時光纖所處環(huán)境中的靜壓力以及溫度，即可實現(xiàn)傳感功能。1.5光學性能及傳輸損耗過大的傳輸損耗會使光纖不具有使用價值，高階模的傳輸也將給靜壓力監(jiān)測帶來干擾。因此，PM-PCF的單模傳輸、限制性損耗、有效模場面積等光學特性也會影響其在實際傳感應用中的合理性。對于光纖來說，歸一化頻率V式中，n光子晶體光纖中的傳輸損耗一般由限制性損耗決定，因此限制性損耗被認為是設計光子晶體光纖的重要光學參數(shù)。實際上，限制性損耗是由于光泄露到包層區(qū)域造成，較低的限制性損耗表明了以最小的損耗來傳導光的能力，它可以通過式（15）中折射率的虛部[Im(n光纖的有效模場面積作為光纖設計中的重要參數(shù)，對光纖的非線性有決定性的影響，有效模場面積用A2結果與分析2.1應變模型的建立圖1所示的PM-PCF結構中，假設光纖長度L為6m，遠大于橫向尺寸，由1.4節(jié)可知軸向應力可忽略，建立圖3(b）所示的平面應變模型，在泵浦光1的頻率為v在P2.2結構應力變化引起的分辨率在保持溫度為20℃的條件下，對所提出的PM-PCF施加P=1MPa靜壓力，按照2.1節(jié)的研究方法對光纖模型進行數(shù)值分析，得到PM-PCF橫截面的每個點應力分布如圖8(a）所示。由纖芯附近的放大圖可見，纖芯周圍的小空氣孔發(fā)生明顯的微形變，圖中白色部分為空氣孔區(qū)域，顏色代表應力強度分布。結構應力變化引起的折射率重新分布如圖8(b）所示，與圖5(b）相比，光纖表面折射率呈不均勻分布。求得此時n為研究該光纖的靜壓力傳感特性以及溫度對靜壓力傳感特性的影響，在該PM-PCF的環(huán)境溫度設定為20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃時調節(jié)外部施加靜壓力的大小，以0.1MPa為步長，從0MPa增加到1MPa，利用2.1節(jié)的方法對該光纖模型進行溫度和靜壓力耦合場、電磁場和聲波場的數(shù)值分析。得到該PM-PCF環(huán)境溫度不同時0～1MPa靜壓力下基模的n結合得到的相應的聲速，計算式（12）、（13）得到相應的BDG反射譜和Δv以環(huán)境溫度20℃為例，圖11表明在0～1MPa范圍內，靜壓力每增加0.1MPa，該PM-PCF的Δv2.3環(huán)境對pa、20mpa、30mpa光纖模型的影響為了更加精確地分析溫度對提出的PM-PCF靜壓力傳感的影響，對該PM-PCF的溫度傳感特性也進行了研究。在保持靜壓力P對該PM-PCF施加靜壓力為0MPa、10MPa、20MPa、30MPa時分別改變其所處的環(huán)境溫度，從0℃增加到100℃，利用2.1節(jié)的方法對該光纖模型進行溫度與靜壓力耦合場、電磁場和聲波場的數(shù)值分析。得到其所受靜壓力不同時0～100℃下該PM-PCF基模的n結合得到的相應的聲速，計算式（12）、（13）得到相應的BDG反射譜、Δv以施加靜壓力0MPa為例，圖17表明在0～100℃范圍內，溫度靈敏度為+0.0001542GHz/℃，僅為典型的應力型保偏光纖和保偏光子晶體光纖的1/375～1/301和1/14.6～1/4.212.4靜壓力對pm-pcf影響為保證提出的PM-PCF更具有合理性、更滿足實際應用的要求，對該光纖的單模傳輸、限制性損耗、有效模場面積等光學特性進行了分析。在波長為1550nm時，該光子晶體光纖纖芯的折射率由式（1）計算可得，有效折射率由2.1節(jié)研究方法可得，結合式（14）分別對不同溫度和不同靜壓力下的V通過有限元法得到不同溫度、不同靜壓力下光子晶體光纖折射率的虛部，由式（15）得到該PM-PCF的限制性損耗。如圖20所示，在數(shù)值分析的條件范圍內該PM-PCF的限制性損耗穩(wěn)定在10由式（16）得到該PM-PCF的有效模場面積，如圖21所示，在不同溫度下，該PM-PCF的有效模場面積隨壓力增大而減小的趨勢較為明顯。在不同靜壓力下該PM-PCF的有效模場面積隨溫度變化極小，這也說明了該PM-PCF的靜壓力靈敏度更高。在數(shù)值分析條件范圍內，該PM-PCF有較大的有效模場面積，其值均大于90μm3靜壓力靈敏度表1列出了不同保偏光纖的尺寸和雙折射頻移傳感特性。可知所提出的保偏光子晶體光纖在無需摻雜其他材料的情況下即可實現(xiàn)較高的靜壓力靈敏度并對溫度極不敏感，該光纖的傳感特性在較大靜壓力與溫度范圍內是穩(wěn)定的。利用該PM-PCF對溫度不敏感但對靜壓力靈敏度很高的特性，在溫度變化不定、靜壓力改變區(qū)間較大的環(huán)境中，其靜壓力的精確測量優(yōu)勢比較明顯，可用于油井、土木的監(jiān)測等分布式靜壓力傳感的應用。4傳感特性分析本文設計了一種新型邊孔型PM-PCF，該PM-PCF無需摻雜任何應力材料，包層沿縱軸對稱的引入兩個大空氣孔，其纖芯區(qū)域與大空氣孔之間僅有一層較小的空氣孔，光纖直徑為125μm，具有體積小、與其他光纖兼容度強的特點。利用平面應變分析和有限元法對其基于布里淵動態(tài)光柵的傳感特性及光學特性進行較為全面的分析。研究表明，在0～500℃內測量靜壓力范圍為0～30MPa時，該PM-PCF雙折射頻移的靜壓力傳感器具有高靈敏度、高精確度以及溫度不敏感性等特點；靜壓力靈敏度高達-2.1353GHz/MPa，受溫度影響極小，且溫度靈敏度僅為0.1542M