光子晶體光纖在傳感中的應(yīng)用

1、光子晶體光纖在傳感中的應(yīng)用簡(jiǎn)介 光纖傳感測(cè)量方法是一種利用光纖作為光信號(hào)的傳輸和傳感媒質(zhì)，根據(jù)被測(cè)物理量的變化對(duì)光信號(hào)的某一性質(zhì)進(jìn)行調(diào)制，并檢測(cè)出來(lái)被測(cè)物理量變化的測(cè)量方法。自從光纖傳感器問(wèn)世以來(lái)，由于其相對(duì)于普通機(jī)械類和電子類傳感器相比具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、體積小、傳輸損耗小、傳輸容量大、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。 在實(shí)際應(yīng)用上，目前在國(guó)外很多橋梁、大壩及輸油管道等上以及在國(guó)內(nèi)的重慶，上海，深圳等城市的橋梁及結(jié)構(gòu)上都已開始應(yīng)用。 隨著各種新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，新的光纖傳感原理、傳感技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。光子晶體光纖由于其高雙折射、光子帶隙等獨(dú)特的性能表現(xiàn)，給光纖傳感技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)

2、新的革命。光子晶體光纖 光子晶體光纖(PhotonicCrystal Fiber簡(jiǎn)稱PCF)又叫微結(jié)構(gòu)光纖。根據(jù)導(dǎo)光原理的不同，PCF可分為兩種：一種為全內(nèi)反射光子晶體(TIR-PCF)，它依賴全內(nèi)反射效應(yīng)(TIR)導(dǎo)光，纖芯折射率比包層的有效折射率高，纖芯中光束將按照全內(nèi)反射原理進(jìn)行傳輸；另一種為光子帶隙光子晶體光纖(PBG-PCF)，它按照光子帶隙效應(yīng)(PBG)光即光纖包層結(jié)構(gòu)對(duì)一定頻率范圍內(nèi)的光于存在帶隙效應(yīng)，光束只能在纖芯中傳導(dǎo)，它對(duì)包層中空氣孔排列的周期性要求非常嚴(yán)格。光子晶體光纖簡(jiǎn)介TIR-PCF 全內(nèi)反射光子晶體光纖在二氧化硅基質(zhì)上沿軸向周期性分布著空氣孔，光纖中心是一個(gè)空氣扎缺

3、失形成的缺陷，這些氣孔和缺陷的尺寸都在光波長(zhǎng)量級(jí)。光纖中心的缺陷區(qū)域充當(dāng)纖芯，外圍的周期氣孔排列相當(dāng)于包層。這種PCF的導(dǎo)光機(jī)制同普通的階躍型光纖類似，缺陷區(qū)域同周圍周期性區(qū)域存在有效折射差，引起全反射，從而使光可以在缺陷中傳播。光子晶體光纖簡(jiǎn)介PBG-PCF 這類光纖是由晶格常數(shù)為光波長(zhǎng)量級(jí)的二維光子晶體構(gòu)成的，即規(guī)則排列著空氣孔的硅光纖陣列構(gòu)成光纖的包層，光纖的核心是由一個(gè)破壞了包層結(jié)構(gòu)周期性的缺陷構(gòu)成，缺陷一般是空氣孔，對(duì)于核心為空氣孔的情況，通過(guò)作為包層的二維光子晶體的布拉格衍射，一定波長(zhǎng)的光被俘獲在作為核心的空氣孔中，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，導(dǎo)光機(jī)制不可能是全內(nèi)反射，因?yàn)闆](méi)有任何

4、一種固體材料的折射率低于空氣的折射率，它與傳統(tǒng)光纖中的全內(nèi)反射傳導(dǎo)光的原理不同，是通過(guò)光子帶隙導(dǎo)光的。光子晶體光纖簡(jiǎn)介光子晶體光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：一、光纖工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，靈敏度高，由于傳輸?shù)男畔⑤d體是光，光信號(hào)載頻高，頻帶寬，光器件己較成熟，所以己研制成功的光纖傳感器分辨率大部分優(yōu)于其他同類傳感器。二、在一定條件下，光纖特別容易接受被測(cè)量或被測(cè)場(chǎng)的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件：光纖是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線， 適合于遙測(cè)遙控，因此不必考慮測(cè)量?jī)x器和被測(cè)物體的相對(duì)位置；特別適合于帶電傳感器不太適于的地方，可以與光纖遙測(cè)技術(shù)相配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量與控制。光子晶體光纖傳感技術(shù)三、光纖是

5、無(wú)源器件，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響，光纖材料有很好的電絕緣性，同時(shí)易為各種光探測(cè)器件接收，可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換，易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計(jì)算機(jī)相匹配。四、其自身獨(dú)立性好，可適應(yīng)各種使用環(huán)境。光纖體小質(zhì)輕，易彎曲，抗電磁干擾、抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。光子晶體光纖傳感技術(shù)光子晶體光纖傳感器一、作為特殊條件下的傳導(dǎo)媒質(zhì)二、作為感應(yīng)元件光子晶體光纖傳感技術(shù)作為特殊條件下的傳導(dǎo)媒質(zhì) 比如在核應(yīng)用場(chǎng)合作為普通光纖傳感器件的傳導(dǎo)媒質(zhì)。事實(shí)上，由于PBG光纖中信號(hào)的傳播不是通過(guò)材料本身，而是中間的“帶隙”，因此材料被核輻射感應(yīng)而生的暗化現(xiàn)象將有所減

6、輕，核輻射對(duì)光子晶體光纖的影響將遠(yuǎn)比普通光纖小。此外，還可以通過(guò)對(duì)PBG光纖的幾何形狀或者材料的設(shè)計(jì)，將傳感系統(tǒng)中分光鏡對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)加以引導(dǎo)、傳播，同時(shí)可以屏蔽掉其他雜質(zhì)光波的影響（比如輻射感應(yīng)發(fā)光等）。光子晶體光纖傳感技術(shù)熒光型PCF傳感器 熒光光纖傳感器以光纖為傳導(dǎo)介質(zhì)，對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行傳輸，再通過(guò)檢測(cè)器對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的定量分析。普通光纖由于受到纖芯尺寸和接收角的限制，在熒光收集方面效果不夠理想，檢測(cè)靈敏度低，而采用光子晶體光纖能夠很好地解決這些問(wèn)題。光子晶體光纖傳感技術(shù) 光子晶體光纖的截面可以根據(jù)不同需 要進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。為了增大對(duì)熒光信號(hào)的吸收面積，在熒光收集方面可以使

7、用雙包層結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，這樣增加了熒光的吸收面積和接收角，提高了傳感器的靈敏度。這是一種結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的非接觸式檢測(cè)法，可以廣泛應(yīng)用在生物、醫(yī)藥、化學(xué)反應(yīng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。光子晶體光纖傳感技術(shù)作為感應(yīng)元件 干涉型PCF傳感器 吸收型PCF傳感器 PCFG傳感器光子晶體光纖傳感技術(shù)干涉型PCF傳感器 干涉型光纖傳感器基于傳統(tǒng)的光學(xué)干涉原理，常用的有Mach-Zehnder干涉儀、Sagnac光纖干涉儀及光纖環(huán)形腔干涉儀等結(jié)構(gòu)。為了獲得好的干涉效應(yīng)，干涉型光纖傳感器需要使用單模光纖，而且最好使用高雙折射的單模光纖。光子晶體光纖可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)獲得高雙折射特性，同時(shí)這類光纖還有較低的壓力敏感性。

8、光子晶體光纖傳感技術(shù) Mach-Zehnder光纖干涉儀有一個(gè)重要的缺點(diǎn)，由于利用雙臂干涉，因此外界因素對(duì)參考臂的擾動(dòng)常常會(huì)引起很大的干擾，甚至破壞儀器的正常工作。為克服這一缺點(diǎn)，可利用單根高雙折射單模光纖中的兩正交偏振模在外界因素影響下相移的不同進(jìn)行傳感。下圖是利用這種辦法構(gòu)成的光纖溫度傳感器的原理圖，這是一種光纖偏振干涉儀。光子晶體光纖傳感技術(shù)光子晶體光纖傳感技術(shù) 激光束經(jīng)起偏器和 波片后變?yōu)閳A偏振光，對(duì)傳感用高折射單模光纖的兩個(gè)正交偏振態(tài)均勻激勵(lì)。由于其相移不同，輸出光的合成偏振態(tài)可在左旋圓偏振光、45o線偏振光、右旋圓偏振光、135o線偏振光之間變化。若輸出端只檢測(cè)45o線偏振分量，則

9、輸出光強(qiáng)為：式中 是受外界因素影響而發(fā)生的相位變化。光子晶體光纖傳感技術(shù) 實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用高雙折射光纖作溫度傳感時(shí)，其靈敏度約為2.5rad/(*m)。它雖然比M-Z雙臂干涉儀的靈敏度低很多，約為1/50。但其裝置要簡(jiǎn)單的多，切壓力靈敏度為M-Z干涉儀的1/7300，因此有較強(qiáng)的壓力去敏作用。光子晶體光纖傳感技術(shù)吸收型PCF傳感器 普通吸收型光纖傳感器的傳感機(jī)理基于朗伯比爾定律。利用消逝波傳感是傳統(tǒng)吸收型光纖傳感器的主要工作方式之一，它的特點(diǎn)是探測(cè)所需要的樣品量極小(為nL量級(jí))，對(duì)濃度較低的樣品有較高的靈敏度。利用普通單模光纖的消逝波進(jìn)行傳感一般需要把光纖的包層去掉，讓纖芯的消逝波直接與外部的

10、樣品發(fā)生作用，然而，這樣將使被剝?nèi)グ鼘拥墓饫w表面粗糙，引起光散射，產(chǎn)生較大的光強(qiáng)損失。采用，TIR型光子晶體光纖能較好地解決這個(gè)問(wèn)題光子晶體光纖傳感技術(shù) 當(dāng)一束光強(qiáng)為 ，波長(zhǎng)為 的輸入光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，如果 位于待測(cè)氣體或液體的吸收譜內(nèi)，則光通過(guò)氣體時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，出射光強(qiáng) ，與輸入的光強(qiáng) 滿足朗伯比爾公式：光子晶體光纖傳感技術(shù)光子晶體光纖傳感技術(shù) 通過(guò)把樣品填充進(jìn)TIR型光子晶體光纖包層的氣孔里，使通過(guò)纖芯的激光產(chǎn)生的消逝波與氣孔中的樣品發(fā)生相互作用，這樣就避免了因?yàn)楣饫w表面粗糙導(dǎo)致的光強(qiáng)損失。由于這種光子晶體光纖中消逝波與材料的相互作用區(qū)幾乎是重合的，因此只要增加光纖的長(zhǎng)度，就能提高光與物質(zhì)

11、的作用，檢測(cè)到樣品的微小變化。光子晶體光纖傳感技術(shù) 但是，TIR型光子晶體光纖構(gòu)成的光纖傳感器也存在不足。 計(jì)算表明：TIR型光子晶體光纖消逝波場(chǎng)的光功率約占全部傳輸功率的6，因此，能量利用率比較低。相比而言，采用PBG型光子晶體光纖進(jìn)行吸收傳感更有優(yōu)勢(shì)。在這種光纖構(gòu)成的傳感器中，檢測(cè)樣品處于纖芯區(qū)內(nèi)，由于芯區(qū)的光功率分布很高(可以達(dá)到約95)，同樣是基于光強(qiáng)損耗原理的吸收型PBG光纖傳感器具有更高的檢測(cè)靈敏度。光子晶體光纖傳感技術(shù) 總之，吸收型光子晶體光纖傳感器具有靈敏度很高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，這在氣體、液體、生物醫(yī)藥檢測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)然，這種傳感器的性能也會(huì)受到某些因素的限制：

12、被探測(cè)樣品的折射率會(huì)對(duì)出射光強(qiáng)有較大的影響；光子晶體光纖很容易被污染，而且清洗較復(fù)雜。光子晶體光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的傳感利用衰減特性進(jìn)行傳感 利用在空氣孔中氣體對(duì)光的吸收損耗實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的傳感。由于光子晶體光纖在結(jié)構(gòu)上的多孔特性，在其孔中可以充入氣體或液體，為利用光子晶體光纖進(jìn)行氣體或液體的傳感和檢測(cè)研究提供了可能性。光子晶體光纖傳感技術(shù) 光纖氣體傳感器可分為兩大類： 一類是功能型傳感器，包括近場(chǎng)泄漏型，多孔光纖型，光纖熒光型，功能型干涉型，光纖反射型。這類光纖在傳感器中既是傳輸光信號(hào)的介質(zhì)，同時(shí)經(jīng)過(guò)一定處理后，又可作為功能性的傳感元件。這類傳感器的特點(diǎn)是靈敏度比較高，但光纖必須做一定的化學(xué)或

13、物理處理，故工藝較為復(fù)雜。光子晶體光纖傳感技術(shù) 另一類是非功能型傳感器，包括吸收光譜型，薄膜透射型，非功能干涉型，Raman散射型。這類光纖傳感器利用其它敏感元件制作的探頭感受被測(cè)量氣體的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處的或難以接近的場(chǎng)所的光信號(hào)。光子晶體光纖傳感技術(shù) 利用光子晶體光纖對(duì)氣體進(jìn)行傳感、檢測(cè)研究，主要是讓被檢測(cè)氣體擴(kuò)散到光纖的氣孔罩，通過(guò)分析從光纖中輸出氣體吸收譜的特征來(lái)確定氣體的種類，根據(jù)吸收強(qiáng)度獲得氣體的濃度。典型的光譜吸收傳感裝置圖如圖所示：光子晶體光纖傳感技術(shù) 對(duì)于一些弱吸收氣體，如甲烷和氨氣等，其吸收強(qiáng)度要比乙炔小2個(gè)數(shù)量級(jí)，這些氣體不容易被探測(cè)到，因此有必要

14、極大地提高對(duì)這些氣體進(jìn)行檢測(cè)的靈敏度。增大光場(chǎng)與氣體的作用范圍是提高光子晶體光纖氣體傳感靈敏度的主要途徑之一，利用空芯光子帶隙型光子晶體光纖將大大提高傳感時(shí)的靈敏度。光子晶體光纖傳感技術(shù)光子晶體光纖光柵傳感器 光纖光柵傳感器是將光纖光柵作為敏感元件的一類光纖傳感器，它一般通過(guò)外場(chǎng)作用下光柵中心波長(zhǎng)的變化來(lái)獲取外界信息，具有傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)性好和便于組成傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 但是，普通的光纖光柵傳感器也存在一些不足，如高溫情況下不穩(wěn)定和交叉敏感等，這給光纖光柵傳感器的應(yīng)用帶來(lái)了一些限制，而采用由光子晶體光纖制作的光纖光柵有望解決這些問(wèn)題。光子晶

15、體光纖傳感技術(shù)光子晶體光纖光柵傳感器 光子晶體光纖光柵(Photonie Crystal Fiber Grating，PCFG)是通過(guò)結(jié)合PCF和傳統(tǒng)光纖光柵制造技術(shù)制成的，具有優(yōu)異的特性，如良好的穩(wěn)定性，大范圍的寬帶調(diào)諧特性等，表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力，如高速率、大容量的DWDM通信技術(shù)及高精度、多參數(shù)、分布式傳感技術(shù)，而這些技術(shù)的發(fā)展需要更好的光柵諧振波長(zhǎng)可調(diào)諧性，更高的光柵穩(wěn)定性以及對(duì)應(yīng)變和溫度等物理量敏感性等，采用PCFG可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)光纖光柵在這些方面的不足。光子晶體光纖傳感技術(shù) 為了增強(qiáng)光纖光柵傳感器的功能，還可以在光子晶體光纖氣孔中填充其他材料，最典型的就是加入液晶。這種加入液晶的光纖

16、在溫度或外加電場(chǎng)的作用下會(huì)改變其光子帶隙，進(jìn)而改變光纖光柵的諧振波長(zhǎng)，利用這種光纖制作出波長(zhǎng)可調(diào)諧的光纖光柵。這種新型的光纖光柵在溫度和電場(chǎng)傳感器中將獲得重要應(yīng)用。光子晶體光纖傳感技術(shù) 通過(guò)改變空氣孔的大小、排列或填充聚合物可靈活改變PCF的特性，在此基礎(chǔ)上通過(guò)采用不同的寫入方法可設(shè)計(jì)制作出寬帶調(diào)諧光纖光柵、高穩(wěn)定性光纖光柵、純結(jié)構(gòu)性非光敏纖芯光纖光柵等功能各異的PCFG。PCFG的多種優(yōu)異特性使得其具有很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域： 一、某些PCFG對(duì)外部折射率變化保持光譜的穩(wěn)定性，這在需要對(duì)環(huán)境(如濕度等)變化條件下穩(wěn)定工作具有優(yōu)勢(shì)；光子晶體光纖傳感技術(shù)二、傳統(tǒng)光纖光柵對(duì)應(yīng)力、溫度都具敏感性，這種交叉

17、敏感效應(yīng)給應(yīng)力的測(cè)量帶來(lái)了誤差，利用某些PCFG對(duì)溫度不敏感的性，可以消除溫度、應(yīng)力交叉敏感效應(yīng)，獲得精確的物理量測(cè)量值；三、對(duì)于包層具有大空氣孔結(jié)構(gòu)的PCFG，可以在空氣孔內(nèi)充入對(duì)溫度或電磁敏感的材料，從而實(shí)現(xiàn)大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧，基于這種PCFG制成的性能優(yōu)越的調(diào)諧光電器件和光衰減器等光通信器件，可用于高速率、大容量的DWDM域。光子晶體光纖傳感技術(shù) PCFG可以跟傳統(tǒng)光纖光柵相結(jié)合應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，如利用PCF-LPG和普通石英FBG設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的光纖光柵傳感器，如下圖所示。光子晶體光纖傳感技術(shù) 這個(gè)傳感系統(tǒng)利用了FBG的溫度敏感性和PCF-LPG的溫度不敏感性，把隨外界溫度變化而漂移的FBG反射波長(zhǎng)轉(zhuǎn)為隨外界溫度變化而變化的輸出功率，從而通過(guò)測(cè)量功率得到相應(yīng)的溫度物理量。這種傳感系統(tǒng)可以應(yīng)用在溫度變化跨度大的環(huán)境中，既簡(jiǎn)單又精確，因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)的工作帶寬大，還可以很容易地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。光子晶體光纖傳感技術(shù) 傳統(tǒng)光纖光柵技術(shù)對(duì)光纖通