1、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。 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
2、新的革命。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
3、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
4、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。光子晶体光纤简介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三、光纤是
5、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、作为感应元件光子晶体光纤传感技术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
6、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
7、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。
8、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
9、输出光强为：式中 是受外界因素影响而发生的相位变化。光子晶体光纤传感技术 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。但其装置要简单的多，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
10、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 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：光子晶体光纤传感技术光子晶体光纤传感技术 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
11、的作用，检测到样品的微小变化。光子晶体光纤传感技术 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。光子晶体光纤传感技术 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：
12、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。光子晶体光纤传感技术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。光子晶体光纤传感技术 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
13、物理处理，故工艺较为复杂。光子晶体光纤传感技术 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。光子晶体光纤传感技术 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置图如图所示：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
14、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。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。光子晶
15、体光纤传感技术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。光子晶体光纤传感技术 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
16、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。光子晶体光纤传感技术 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；光子晶体光纤传感技术二、传统光纤光栅对应力、温度都具敏感性，这种交叉
17、敏感效应给应力的测量带来了误差，利用某些PCFG对温度不敏感的性，可以消除温度、应力交叉敏感效应，获得精确的物理量测量值；三、对于包层具有大空气孔结构的PCFG，可以在空气孔内充入对温度或电磁敏感的材料，从而实现大范围的波长调谐，基于这种PCFG制成的性能优越的调谐光电器件和光衰减器等光通信器件，可用于高速率、大容量的DWDM域。光子晶体光纤传感技术 PCFG可以跟传统光纤光栅相结合应用于传感领域，如利用PCF-LPG和普通石英FBG设计一种简单而实用的光纤光栅传感器，如下图所示。光子晶体光纤传感技术 这个传感系统利用了FBG的温度敏感性和PCF-LPG的温度不敏感性，把随外界温度变化而漂移的
18、FBG反射波长转为随外界温度变化而变化的输出功率，从而通过测量功率得到相应的温度物理量。这种传感系统可以应用在温度变化跨度大的环境中，既简单又精确，因为这个系统的工作带宽大，还可以很容易地实现多点测量。光子晶体光纤传感技术 传统光纤光栅技术对光纤通信和光纤传感技术产生了重大影响，使各种全光纤器件成为现实，其在光纤通信和光纤传感领域中的作用已被世人认可。与传统的光纤光栅相比，PCFG具有如下特性：二维或多维光子晶体，设计自由度大(如单芯或多芯、空气孔可填充介质等)，波长调谐100 nm以上，可进行多参量、多功能感测等。光子晶体光纤传感技术总结 光子晶体光纤具有新颖的结构和独特的光学特性，随着光子晶体光纤制造技术的不断发展，光子晶体光纤的光学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。光子晶体光纤传感技术结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The End感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
