光子晶体光纤在传感中的应用PPT课件

光子晶体光纤传感技术
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。
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。
作为感应元件
• 干涉型PCF传感器 • 吸收型PCF传感器 • PCFG传感器
光子晶体光纤传感技术
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。
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。
光子晶体光纤传感技术
光子晶体光纤简介
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。
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。
光子Biblioteka Baidu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
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
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。
光子晶体光纤传感技术
光子晶体光纤传感技术
光子晶体光纤传感技术
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：