光子晶体光纤在传感中的应用

光子晶体光纤传感技术
对于一些弱吸收气体，如甲烷和氨气等， 其吸收强度要比乙炔小2个数量级，这些气 体不容易被探测到，因此有必要极大地提 高对这些气体进行检测的灵敏度。增大光 场与气体的作用范围是提高光子晶体光纤 气体传感灵敏度的主要途径之一，利用空 芯光子带隙型光子晶体光纤将大大提高传 感时的灵敏度。
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三、光纤是无源器件，对被测对象不产生影 响，光纤材料有很好的电绝缘性，同时易 为各种光探测器件接收，可方便地进行光 电或电光转换，易与高度发展的现代电子 装置和计算机相匹配。 四、其自身独立性好，可适应各种使用环境。 光纤体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗 辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空 间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下 使用。
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为了增强光纤光栅传感器的功能，还 可以在光子晶体光纤气孔中填充其他材料， 最典型的就是加入液晶。这种加入液晶的 光纤在温度或外加电场的作用下会改变其 光子带隙，进而改变光纤光栅的谐振波长， 利用这种光纤制作出波长可调谐的光纤光 栅。这种新型的光纤光栅在温度和电场传 感器中将获得重要应用。
光子晶体光纤
光子晶体光纤(PhotonicCrystal Fiber简称 PCF)又叫微结构光纤。根据导光原理的不同，PCF 可分为两种：一种为全内反射光子晶体(TIR-PCF)， 它依赖全内反射效应(TIR)导光，纤芯折射率比包 层的有效折射率高，纤芯中光束将按照全内反射 原理进行传输；另一种为光子带隙光子晶体光纤 (PBG-PCF)，它按照光子带隙效应(PBG)光．即光 纤包层结构对一定频率范围内的光于存在带隙效 应，光束只能在纤芯中传导，它对包层中空气孔 排列的周期性要求非常严格。
光子晶体光纤在传感中的应用
简介
光纤传感测量方法是一种利用光纤作为 光信号的传输和传感媒质，根据被测物理 量的变化对光信号的某一性质进行调制， 并检测出来被测物理量变化的测量方法。 自从光纤传感器问世以来，由于其相对于 普通机械类和电子类传感器相比具有抗电 磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、体积小、传输 损耗小、传输容量大、测量范围广等优点 得到了广泛的应用。
实现对气体的传感
——利用衰减特性进行传感 利用在空气孔中气体对光的吸收损耗实 现对气体的传感。由于光子晶体光纤在结 构上的多孔特性，在其孔中可以充入气体 或液体，为利用光子晶体光纤进行气体或 液体的传感和检测研究提供了可能性。
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光纤气体传感器可分为两大类： 一类是功能型传感器，包括近场泄漏 型，多孔光纤型，光纤荧光型，功能型干 涉型，光纤反射型。这类光纤在传感器中 既是传输光信号的介质，同时经过一定处 理后，又可作为功能性的传感元件。这类 传感器的特点是灵敏度比较高，但光纤必 须做一定的化学或物理处理，故工艺较为 复杂。
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总之，吸收型光子晶体光纤传感器具有 灵敏度很高、响应速度快的优点，这在气 体、液体、生物医药检测方面有着广泛的 应用前景。当然，这种传感器的性能也会 受到某些因素的限制：被探测样品的折射 率会对出射光强有较大的影响；光子晶体 光纤很容易被污染，而且清洗较复杂。
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光子晶体光纤简介
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TIR-PCF
全内反射光子晶体光纤在 二氧化硅基质上沿轴向周期性 分布着空气孔，光纤中心是一 个空气扎缺失形成的缺陷，这 些气孔和缺陷的尺寸都在光波 长量级。光纤中心的缺陷区域 充当纤芯，外围的周期气孔排 列相当于包层。这种PCF的导光 机制同普通的阶跃型光纤类似， 缺陷区域同周围周期性区域存 在有效折射差，引起全反射， 从而使光可以在缺陷中传播。
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但是，TIR型光子晶体光纤构成的光纤 传感器也存在不足。 计算表明：TIR型光子晶体光纤消逝波 场的光功率约占全部传输功率的6％，因此， 能量利用率比较低。相比而言，采用PBG型 光子晶体光纤进行吸收传感更有优势。在 这种光纤构成的传感器中，检测样品处于 纤芯区内，由于芯区的光功率分布很高(可 以达到约95％)，同样是基于光强损耗原理 的吸收型PBG光纤传感器具有更高的检测灵 敏度。
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当一束光强为 ，波长为 的输入光通 过待测气体时，如果 位于待测气体或液体 的吸收谱内，则光通过气体时会发生衰减， 出射光强 ，与输入的光强 满足朗伯比 尔公式：
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通过把样品填充进TIR型光子晶体光纤 包层的气孔里，使通过纤芯的激光产生的 消逝波与气孔中的样品发生相互作用，这 样就避免了因为光纤表面粗糙导致的光强 损失。由于这种光子晶体光纤中消逝波与 材料的相互作用区几乎是重合的，因此只 要增加光纤的长度，就能提高光与物质的 作用，检测到样品的微小变化。
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光子晶体光纤光栅传感器
光子晶体光纤光栅(Photonie Crystal Fiber Grating，PCFG)是通过结合PCF和传 统光纤光栅制造技术制成的，具有优异的 特性，如良好的稳定性，大范围的宽带调 谐特性等，表现出极大的应用潜力，如高 速率、大容量的DWDM通信技术及高精度、 多参数、分布式传感技术，而这些技术的 发展需要更好的光栅谐振波长可调谐性， 更高的光栅稳定性以及对应变和温度等物 理量敏感性等，采用PCFG可以弥补传统光 纤光栅在这些方面的不足。
在实际应用上，目前在国外很多桥梁、 大坝及输油管道等上以及在国内的重庆， 上海，深圳等城市的桥梁及结构上都已开 始应用。 随着各种新技术、新材料的出现，新的 光纤传感原理、传感技术也不断涌现。光 子晶体光纤由于其高双折射、光子带隙等 独特的性能表现，给光纤传感技术带来了 一场新的革命。
光子晶体光纤简介
光子晶体光纤的截面可以根据不同需 要进行灵活设计。为了增大对荧光信号的 吸收面积，在荧光收集方面可以使用双包 层结构的光子晶体光纤，这样增加了荧光 的吸收面积和接收角，提高了传感器的灵 敏度。这是一种结构非常简单的非接触式 检测法，可以广泛应用在生物、医药、化 学反应和环境监测等方面。
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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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激光束经起偏器和 波片后变为圆 偏振光，对传感用高折射单模光纤的两个正 交偏振态均匀激励。由于其相移不同，输出 光的合成偏振态可在左旋圆偏振光、45o线偏 振光、右旋圆偏振光、135o线偏振光之间变 化。若输出端只检测45o线偏振分量，则输出 光强为：
式中
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另一类是非功能型传感器，包括吸收光 谱型，薄膜透射型，非功能干涉型，Raman 散射型。这类光纤传感器利用其它敏感元 件制作的探头感受被测量气体的变化，光 纤仅作为光的传输介质，传输来自远处的 或难以接近的场所的光信号。
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利用光子晶体光纤对气体进行传感、检 测研究，主要是让被检测气体扩散到光纤的 气孔罩，通过分析从光纤中输出气体吸收谱 的特征来确定气体的种类，根据吸收强度获 得气体的浓度。典型的光谱吸收传感装臵图 如图所示：
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¨
光子晶体光纤传感技术
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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通过改变空气孔的大小、排列或填充 聚合物可灵活改变PCF的特性，在此基础上 通过采用不同的写入方法可设计制作出宽 带调谐光纤光栅、高稳定性光纤光栅、纯 结构性非光敏纤芯光纤光栅等功能各异的 PCFG。PCFG的多种优异特性使得其具有很 广泛的应用领域： 一、某些PCFG对外部折射率变化保持光谱 的稳定性，这在需要对环境(如湿度等)变 化条件下稳定工作具有优势；
作为感应元件
• 干涉型PCF传感器 • 吸收型PCF传感器 • PCFG传感器
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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Mach-Zehnder干涉仪、 Sagnac光纤干涉仪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压力敏感性。
是受外界因素影响而发生的相位变化。
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实验表明，应用高双折射光纤作温度传 感时，其灵敏度约为2.5rad/(℃*m)。它虽然 比M-Z双臂干涉仪的灵敏度低很多，约为1/50。 但其装臵要简单的多，切压力灵敏度为M-Z干 涉仪的1/7300，因此有较强的压力去敏作用。
光子晶体光纤传感技术
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光子晶体光纤传感器
一、作为特殊条件下的传导媒质 二、作为感应元件
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作为特殊条件下的传导媒质
比如在核应用场合作为普通光纤传感器 件的传导媒质。事实上，由于PBG光纤中 信号的传播不是通过材料本身，而是中间 的“带隙”，因此材料被核辐射感应而生 的暗化现象将有所减轻，核辐射对光子晶 体光纤的影响将远比普通光纤小。此外， 还可以通过对PBG光纤的几何形状或者材 料的设计，将传感系统中分光镜对应的波 长加以引导、传播，同时可以屏蔽掉其他 杂质光波的影响（比如辐射感应发光等）。
光子晶体光纤简介
PBG-PCF
这类光纤是由晶格常数为光波长 量级的二维光子晶体构成的，即规则 排列着空气孔的硅光纤阵列构成光纤 的包层，光纤的核心是由一个破坏了 包层结构周期性的缺陷构成，缺陷一 般是空气孔，对于核心为空气孔的情 况，通过作为包层的二维光子晶体的 布拉格衍射，一定波长的光被俘获在 作为核心的空气孔中，对于这种结构 的光子晶体光纤，导光机制不可能是 全内反射，因为没有任何一种固体材 料的折射率低于空气的折射率，它与 传统光纤中的全内反射传导光的原理 不同，是通过光子带隙导光的。
光子晶体光纤传感技术
光子晶体光纤传感技术
光纤传感技术的优点： 一、光纤工作频带宽，动态范围大，灵敏度高，由 于传输的信息载体是光，光信号载频高，频带宽， 光器件己较成熟，所以己研制成功的光纤传感器 分辨率大部分优于其他同类传感器。 二、在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或被 测场的加载，是一种优良的敏感元件：光纤是一 种优良的低损耗传输线， 适合于遥测遥控，因此 不必考虑测量仪器和被测物体的相对位置；特别 适合于带电传感器不太适于的地方，可以与光纤 遥测技术相配合实现远距离测量与控制。
光子晶体光纤传感技术
Mach-Zehnder光纤干涉仪有一个重要的 缺点，由于利用双臂干涉，因此外界因素对 参考臂的扰动常常会引起很大的干扰，甚至 破坏仪器的正常工作。为克服这一缺点，可 利用单根高双折射单模光纤中的两正交偏振 模在外界因素影响下相移的不同进行传感。 下图是利用这种办法构成的光纤温度传感器 的原理图，这是一种光纤偏振干涉仪。