光子晶体传感器

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光子带隙光纤
将不同介电常数的材料构成周期结构，电磁波在其中传播 时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构， 这种能带结构叫做光子能带。具有光子能带结构的光子晶 体光纤(PCF)称为光子带隙光纤(PBF)。
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光子带隙光纤的优点：
PCF最大的特点是无休止单模特性。通过合理设计的PCF 可以在所有频率上都能支持单模传输。无休止单模特性来 源于纤芯和包层间的有效折射率差随频率变化，当频率增 大到一定程度时，模式电场分布基本上不再变化，此时， 如果空气孔足够小，高阶模式光的横向波长小于孔间距， 使得高阶模能从孔间泄漏出去，而低阶模则能保留下来。
光子晶体光纤传感器的研究
李红梅
1.传感器
定义：传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受 外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成 （如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的 被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置， 通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装 置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息， 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出， 以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要 求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
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1.2:传感器的功能
常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟： 光敏传感器——视觉 气敏传感器——嗅觉 声敏传感器——听觉 化学传感器——味觉
压敏、温敏、流体传感器——触觉
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2：光子晶体
光子晶体是指具有 光子带隙 （PhotonicBandGap,简称为PBG）特 性的人造周期性电 介质结构，有时也 称为PBG光子晶体结 构。
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光子晶体光纤
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光子晶体光纤传感器：
1: 吸收型PCF传感器 普通吸收型光纤传感器的传感机理基于朗伯比尔定律。利 用消逝波传感是传统吸收型光纤传感器的主要工作方式之 一,它的特点是探测所需要的样品量极小(为nL量级) ,对浓 度较低的样品有较高的灵敏度。利用普通单模光纤的消逝 波进行传感一般需要把光纤的包层去掉,让纤芯的消逝波 直接与外部的样品发生作用,然而,这样将使被剥去包层的 光纤表面粗糙,引起光散射,产生较大的光强损失。采用TIR 型光子晶体光纤能较好地解决这个问题。
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光子晶体传感器的困难：
目前光子晶体传感器需要突破的难点有：(1)如何提高不 同尺寸单分散颗粒制备的可重复性，制备高质量无缺陷的 光子晶体模板，提高凝胶光子晶体的质量；(2)如何提高 光子晶体传感器的重复使用性、灵敏度、选择性、抗干扰 和快速响应能力；(3)有待制备种类更多的光子晶体生物 传感器以扩大其应用面。
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光子晶体光纤
概念提出：光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有 人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质 结构。其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中 的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结 构（它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。 这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs）， 这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。
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空芯光子晶体光纤端面图
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光纤传感器
定义1：利用光导纤维的 传光特性，把被测量转换 为光特性(强度、相位、偏 振态、频率、波长)改变的 传感器。 定义2：利用光纤技术和 光学原理，将感受的被测 量转换成可用输出信号的 传感器。
光纤传感器
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光子带隙传感器
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第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二 维光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光 纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导； 相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允 许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这些 我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs） ，实 际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIR-PCFs 截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带 隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这些光纤 （PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力 控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传播。相 比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是 被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBG-PCFs） 只是在近期才得到实验证明。
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光子晶体光纤传感器：
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光纤传感器的优点：
光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰、结构简单、体积小、 质量轻、光路可弯曲、对被测介质影响小、便于形成网络 等优点, 有着广泛的应用前景。然而, 采用普通光纤作为敏 感元件的光纤传感器存在一些难以克服的缺点, 如: 耦合损 耗较大、保偏特性差和存在交叉敏感问题等, 限制了光纤 传感器性能的进一步提高。。20世纪90年代中期, 研制出 一种光子晶体光纤( Photonic crystal fiber, PCF) 。这种光 纤具有许多优点, 如: 无截止的单模特性、低损耗特性、灵 活的色散特性、可控的非线性、极强的双折射效应以及可 进行微结构设计改造等, 采用光子晶体光纤构成的光纤传 感器有望解决这些问题。
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PCF另一个重要特点是其色散可调。例如，PCF能够在通 信窗口任意波长以下获得反常色散，同时保持单模，这是 传统光纤无法做到的。改变空气孔的排布和大小，PCF的 色散和色散斜率会随之剧烈的改变。与传统光纤类似， PCF存在对应于两个偏振态的基模，在具有三次以上旋转 对称性的结构中，因两个模式退化而不产生双折射，因此 在传统光纤中难以解决的偏振模色散在PCF中容易解决。 第三个特性是非线性可调。由于在很宽的频率范围能保持 单模传输，PCF既可以将纤芯有效截面积增大，也可以使 其减小。可通过调节纤芯的有效面积来抑制非线性光效应 或增强非线性光效应。如果纤芯的有效面积增大，则光能 量密度下降，可以抑制非线性光效应。当使用中空光子带 隙光纤导光时，则所产生的非线性效应可以忽略。
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1.1：传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠 人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活 动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要 传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之 为电五官。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感 器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正 常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以 说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基 础。
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2.荧光型PCF传感器
荧光光纤传感器以光纤为传导介质,对荧光信号进行传输, 再通过检测器对荧光信号进行检测,它可以实现对样品的 定量分析。普通光纤由于受到纤芯尺寸和接收角的限制, 在荧光收集方面效果不够理想,检测灵敏度低,而采用光子 晶体光纤能够很好地解决这些问题。
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3：光子晶体光纤
定义：光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广 泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有 不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在 同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤 芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以 在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的 排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也 可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振 器件提供了可能。
3.干涉型PCF传感器
干涉型光纤传感器基于传统的光学干涉原理,常用的有 Mach2Zehner干涉仪、Sagnac光纤干涉仪、Fabry2Perot 干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等结构。为了获得好的干涉 效应,干涉型光纤传感器需要使用单模光纤,而且最好使用 高双折射的单模光纤。光子晶体光纤可以通过结构设计来 获得高双折射特性,同时这类光纤还有较低的温度敏感性。
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TIR型光纤：
这种光纤最主要的特点是具有无截止的单模特性, 从近紫 外到近红外全波段可维持单模运行; 它还有良好的色散特 性, 并且零色散点可以通过调整空气孔的直径来进行调节; 它的模场面积可以根据需要进行灵活设计, 通过对横截面 结构设计, 还可以得到高双折射光纤。另外, 这种光纤还有 弯曲损耗小、可控的非线性等其他的优点。典型TIR型光 子晶体光纤一般由石英材料构成, 其纤芯是实心的, 而包层 为多孔结构, 截面如图1 ( a) 所示。存在气孔的目的是减小 包层的有效折射率, 使纤芯折射率比包层的有效折射率高, 从而把光子限制在纤芯中。
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4.光子晶体光纤光栅传感器
光纤光栅传感器是将光纤光栅作为敏感元件的一类光 纤传感器,它一般通过外场作用下光栅中心波长的变化来 获取外界信息,具有传感探头结构简单、抗干扰能力强、 重复性好和便于组成传感网络等优点,已经成为当前光纤 传感领域的研究热点。但是,普通的光纤光栅传感器也存 在一些不足,如高温情况下不稳定和交叉敏感等,这给光纤 光栅传感器的应用带来了一些限制,而采用由光子晶体光 纤制作的光纤光栅有望解决这些问题。
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总结：
光子晶体光纤具有新颖的结构和独特的光学特性, 随着光 纤制造技术的不断发展, 光子晶体光纤的特性会不断地在 传感技术中得到开发、应用。光子晶体光纤传感器今后的 发展重点将是网络化、集成化、全光纤化以及新传感机理 和方案的探索。
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光子晶体中光子禁带(PBG)结构的光学性质使得光子晶 体对于环境折射率的变化相当敏感，适合于制备传感器。 PBG内部结构与分析物结合改变了物质的折射率，因而能 够通过测定物质折射率的变化来测定分析物。
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光子晶体光纤传感器：
光子晶体光纤(PCF)是二维光子晶体的典型代表。与传统 光纤相比，硅一空气结构光子晶体光纤由微小的空气孔有 序排列而成。自1996年Knight等口 研制出了第一根光子 晶体光纤后，PCF受到了极大关注，其具有普通光纤不具 备的优点，可以通过改变空气孔的大小和排列来改变PCF 的性质。
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两种光子晶体光纤的比较：
光子晶体光纤( PCF) , 也称为微结构光纤 (Microstruc2ture fiber) 或者多孔光纤(Holy fiber) 。根据 其导光机制的不同, 一般可分为两种: 一种是全内反射 ( TIR) 型光子晶体光纤; 另一种是光子带隙( PBG) 型光子 晶体光纤。
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PBG型光纤：
PBG型光子晶体光纤一般也是由石英材料构成,但是其纤 芯(一般是空气或真空的)的折射率比包层的有效折射率要 低,如图1 ( b)所示。由于的纤芯折射率比包层中空间填充 模( space fillingmode)的有效折射率低,这样就在二维带隙 中产生一个缺陷,形成不完全的光子带隙结构,PBG光纤就 是用这种不完全的光子带隙结构来导光的。由于PBG光纤 中的大部分光都集中在中空的芯区,所以光在进入光纤时 没有菲涅耳反射,因此耦合效率很高;并且与材料本身有关 的吸收损耗、色散效应和非线性效应等都会大大降低。