新型边孔型保偏光子晶体光纤的静压力传感特性研究

新型边孔型保偏光子晶体光纤的静压力传感特性研究

0保偏光子晶体光纤动静压力灵敏度在钻井监测的应用中，井环境相对较差，温度可达到数百扇门，压力可达到数十兆帕。克服温度的影响，正确测量临床压力对提高采油效率非常重要。基于布里渊散射的光纤分布式传感中，布里渊频移已经被广泛应用于光纤沿线的温度和应变的传感研究表明，在领结型（两种）、熊猫型普通保偏光纤和PM-1550-01商用保偏光子晶体光纤中，基于BDG的双折射频移的静压力灵敏度分别为+94.27MHz/MPa、+113.13MHz/MPa、+124.73MHz/MPa和-245.11MHz/MPa，普通保偏光纤中基于布里渊频移的静压力灵敏度1.5MHz/MPa。可见，相比于普通保偏光纤中基于布里渊频移的静压力灵敏度，普通保偏光纤基于BDG的双折射频移的静压力灵敏度提高了65～86倍，PM-1550-01商用保偏光子晶体光纤基于BDG的双折射频移的静压力灵敏度提高了169倍本文设计了一种纤芯区域被一层较小空气孔包围且包层沿纵轴对称引入一对大空气孔的新型边孔型保偏光子晶体光纤，该PM-PCF基底材料为SiO1基本原则1.1光纤模型已有研究表明，边孔型光子晶体光纤在压力传感上有较好的性能背景材料SiO式中，B1.2光纤生产的可行性XIEHM等1.3探测波疫情的理论模型保偏光纤中的BDG本质上是相向传播的泵浦波之间的受激布里渊散射（StimulatedBrillouinScattering,SBS）效应激发的相干声波场，用于反射正交偏振态注入的探测波BDG的理论模型是通过四束光波和一个声波场组成的耦合波方程来组建的式中，i是虚部单位，I式中，k式中，Δn=|n通过化简模型，求解方程组（2）得到光纤长度为L的稳态BDG的反射率其中式中，g式中，p1.4静压力场的数值分析实际环境中PM-PCF所受的静压力如图3(a）所示，蓝色代表均质流体，由于光纤纵向长度与横截面尺寸相比要大得多，作用的外力垂直于光纤轴线并沿长度不变，因此光子晶体光纤的应力分析属于典型的平面应变问题。此时，可忽略轴向应变并通过平面应变假设将模型进行二维简化，简化后的二维模型受力情况如图3(b）所示。当该PM-PCF所受的静压力为P时，光纤包层中的空气孔发生形变并使光纤自身参数E、k、ρ发生相应的变化，分别记为E(P）、k(P）、ρ（P）。利用有限元法对该二维模型的静压力场数值分析可确定应力σ式中，nPM-PCF环境温度变化时会产生形变，形变受到约束时会产生热应力热光效应是指光纤的环境温度有所变化时，会使光纤自身参数E、k、ρ发生相应的变化，用温度T的函数来表示可记为E(T）、k(T）、ρ（T），进而导致材料的折射率亦随之变动的性质，一般由式（11）中的热光系数来表示热光效应的强弱。式中，ζ是SiO可见静压力和温度的变化都会使光纤材料的折射率以及光纤自身参数E、k、ρ等发生改变，通过上述对温度T、静压力P作用下的光纤有限元模型的数值分析可得n因此通过测量获取光纤双折射频移的变化，就可以得出此时光纤所处环境中的静压力以及温度，即可实现传感功能。1.5光学性能及传输损耗过大的传输损耗会使光纤不具有使用价值，高阶模的传输也将给静压力监测带来干扰。因此，PM-PCF的单模传输、限制性损耗、有效模场面积等光学特性也会影响其在实际传感应用中的合理性。对于光纤来说，归一化频率V式中，n光子晶体光纤中的传输损耗一般由限制性损耗决定，因此限制性损耗被认为是设计光子晶体光纤的重要光学参数。实际上，限制性损耗是由于光泄露到包层区域造成，较低的限制性损耗表明了以最小的损耗来传导光的能力，它可以通过式（15）中折射率的虚部[Im(n光纤的有效模场面积作为光纤设计中的重要参数，对光纤的非线性有决定性的影响，有效模场面积用A2结果与分析2.1应变模型的建立图1所示的PM-PCF结构中，假设光纤长度L为6m，远大于横向尺寸，由1.4节可知轴向应力可忽略，建立图3(b）所示的平面应变模型，在泵浦光1的频率为v在P2.2结构应力变化引起的分辨率在保持温度为20℃的条件下，对所提出的PM-PCF施加P=1MPa静压力，按照2.1节的研究方法对光纤模型进行数值分析，得到PM-PCF横截面的每个点应力分布如图8(a）所示。由纤芯附近的放大图可见，纤芯周围的小空气孔发生明显的微形变，图中白色部分为空气孔区域，颜色代表应力强度分布。结构应力变化引起的折射率重新分布如图8(b）所示，与图5(b）相比，光纤表面折射率呈不均匀分布。求得此时n为研究该光纤的静压力传感特性以及温度对静压力传感特性的影响，在该PM-PCF的环境温度设定为20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃时调节外部施加静压力的大小，以0.1MPa为步长，从0MPa增加到1MPa，利用2.1节的方法对该光纤模型进行温度和静压力耦合场、电磁场和声波场的数值分析。得到该PM-PCF环境温度不同时0～1MPa静压力下基模的n结合得到的相应的声速，计算式（12）、（13）得到相应的BDG反射谱和Δv以环境温度20℃为例，图11表明在0～1MPa范围内，静压力每增加0.1MPa，该PM-PCF的Δv2.3环境对pa、20mpa、30mpa光纤模型的影响为了更加精确地分析温度对提出的PM-PCF静压力传感的影响，对该PM-PCF的温度传感特性也进行了研究。在保持静压力P对该PM-PCF施加静压力为0MPa、10MPa、20MPa、30MPa时分别改变其所处的环境温度，从0℃增加到100℃，利用2.1节的方法对该光纤模型进行温度与静压力耦合场、电磁场和声波场的数值分析。得到其所受静压力不同时0～100℃下该PM-PCF基模的n结合得到的相应的声速，计算式（12）、（13）得到相应的BDG反射谱、Δv以施加静压力0MPa为例，图17表明在0～100℃范围内，温度灵敏度为+0.0001542GHz/℃，仅为典型的应力型保偏光纤和保偏光子晶体光纤的1/375～1/301和1/14.6～1/4.212.4静压力对pm-pcf影响为保证提出的PM-PCF更具有合理性、更满足实际应用的要求，对该光纤的单模传输、限制性损耗、有效模场面积等光学特性进行了分析。在波长为1550nm时，该光子晶体光纤纤芯的折射率由式（1）计算可得，有效折射率由2.1节研究方法可得，结合式（14）分别对不同温度和不同静压力下的V通过有限元法得到不同温度、不同静压力下光子晶体光纤折射率的虚部，由式（15）得到该PM-PCF的限制性损耗。如图20所示，在数值分析的条件范围内该PM-PCF的限制性损耗稳定在10由式（16）得到该PM-PCF的有效模场面积，如图21所示，在不同温度下，该PM-PCF的有效模场面积随压力增大而减小的趋势较为明显。在不同静压力下该PM-PCF的有效模场面积随温度变化极小，这也说明了该PM-PCF的静压力灵敏度更高。在数值分析条件范围内，该PM-PCF有较大的有效模场面积，其值均大于90µm3静压力灵敏度表1列出了不同保偏光纤的尺寸和双折射频移传感特性。可知所提出的保偏光子晶体光纤在无需掺杂其他材料的情况下即可实现较高的静压力灵敏度并对温度极不敏感，该光纤的传感特性在较大静压力与温度范围内是稳定的。利用该PM-PCF对温度不敏感但对静压力灵敏度很高的特性，在温度变化不定、静压力改变区间较大的环境中，其静压力的精确测量优势比较明显，可用于油井、土木的监测等分布式静压力传感的应用。4传感特性分析本文设计了一种新型边孔型PM-PCF，该PM-PCF无需掺杂任何应力材料，包层沿纵轴对称的引入两个大空气孔，其纤芯区域与大空气孔之间仅有一层较小的空气孔，光纤直径为125µm，具有体积小、与其他光纤兼容度强的特点。利用平面应变分析和有限元法对其基于布里渊动态光栅的传感特性及光学特性进行较为全面的分析。研究表明，在0～500℃内测量静压力范围为0～30MPa时，该PM-PCF双折射频移的静压力传感器具有高灵敏度、高精确度以及温度不敏感性等特点；静压力灵敏度高达-2.1353GHz/MPa，受温度影响极小，且温度灵敏度仅为0.1542M