光纤传感器综述之微纳光纤PPT课件.ppt

1 光纤传感器之微纳光纤 第一节光纤传感器的综述第二节光纤光栅与光子晶体光纤的发展第三节微纳光纤 第一节光纤传感的综述 光纤传感器 OFSOpticalFiberSensor 是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器 它是光纤和光通信技术迅速发展的产物 它与以电为基础的传感器有本质区别 光纤传感器用光作为敏感信息的载体 用光纤作为传递敏感信息的媒质 它具有光纤及光学测量的特点 电绝缘性能好 抗电磁干扰能力强 非侵入性 高灵敏度 容易实现对被测信号的远距离监控 2 光是一种电磁波 其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm 它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起 因此 讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动 即A 电场E的振幅矢量 光波的振动频率 光相位 t 光的传播时间 只要使光的强度 偏振态 矢量A的方向 频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化 或受被测量调制 那么 通过对光的强度调制 偏振调制 频率调制或相位调制等进行解调 获得所需要的被测量的信息 3 4 1996IBMCorporation 涂层和缓冲层 缓冲层涂层包覆层核心层 50 125光纤为例 50125250900microns 核心层和包覆层是不可分割的玻璃层 缓冲层 涂层 涂层 缓冲层 5 6 传感器 光学现象 被测量 光纤 分类 干涉型 相位调制光线传感器 干涉 磁致伸缩 干涉 电致伸缩 Sagnac效应光弹效应干涉 电流 磁场电场 电压角速度振动 压力 加速度 位移温度 SM PMSM PMSM PMSM PMSM PM aaaaa 非干涉型 强度调制光纤温度传感器 遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射 黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜 温度 振动 压力 加速度 位移温度温度振动 压力 加速度 位移振动 压力 位移气体浓度液位 MMMMMMSMMMMMMM bbbbbbb 偏振调制光纤温度传感器 法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应 电流 磁场电场 电压 温度振动 压力 加速度 位移 SMMMSMMM b abbb 频率调制光纤温度传感器 多普勒效应受激喇曼散射光致发光 速度 流速 振动 加速度气体浓度温度 MMMMMM cbb 注 MM多模 SM单模 PM偏振保持 a b c功能型 非功能型 拾光型 光纤传感器的分类 6 第二节光纤光栅与光子晶体光纤的发展 1 光纤光栅 通过飞秒激光点对点法或者相位掩膜板法使光纤内部纤芯部分折射率发生周期性的改变 写入光栅 7 根据光纤光栅周期的长短不同 可将周期性的光纤光栅分为短周期 1 m 两类 1 短周期光纤光栅 FBG 传输方向相反的模式之间发生耦合 属于反射型带通滤波器 透射光谱 入射光谱 光强 光强 反射光谱 光强 8 2 长周期光纤光栅 LPFG 纤芯基模和同向传输的各阶包层模之间的耦合 耦合到包层中后传输一段距离后 由于散射转化为辐射膜衰减掉 而无后向反射 属于透射型带阻滤波器 入射光谱 光强 透射光谱 利用光纤光栅中反射或透射的光谱对外界环境的敏感特性 光纤光栅温度 应变敏感的特性 通过传感头的设计 封装 可以测量各种物理参数 温度 应变 压力 位移 液位 加速度 气体含量 弯曲 等等 9 2 光子晶体光纤 自然界中的光子晶体的例子 10 光子晶体光纤的导光原理 全内反射型PCF导光原理周期性缺陷的纤芯折射率 石英玻璃 大于周期性包层折射率 空气 从而使光能够在纤芯中传播 光子带隙型PCF导光机理在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气 空气芯折射率比包层石英玻璃低 但仍能保证光不折射出去 11 图1TIR PCF折射率型光子晶体光纤 图2PGB PCF带隙导光性型光子晶体光纤 TIR PCF是通过全反射原理来导光 与普通光纤类似 PBG PCF则是通过光子带隙效应导光 即把光限制在光子晶体的缺陷即空气孔中导光 光子晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤 它通过包层中沿轴向周期性排列的微小空气孔产生光子禁带对光进行约束 从而实现光的轴向传输 独特的波导结构 使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许多无可比拟的传输特性 12 TIR PCF折射率型光子晶体光纤 PGB PCF带隙导光性型光子晶体光纤 PCF传输能量传输三维模拟 13 通过对光子晶体光纤的空气孔排列的处理 比如对其中一根或者几根空气孔用不同折射率特性的液体进行填充 在制作时抽出几根毛细预制棒或用实心棒代替 等类似处理打破它的周期性结构 产生许多新的特性与现象 光子晶体光纤的优点 1 无截止单模传输特性 EndlesslySingleMode 2 不同寻常的色度色散特性 3 极好的非线性效应 4 优良的双折射效应 5 可用于实现多芯传输 14 第三节微纳光纤MNFMicro andnano fiber 相对于光纤光栅与光子晶体光纤 微纳光纤是更近一段时间才发展起来的一种新型光纤 在2003年 浙江大学的童利民与他的导师 哈佛大学的Eric第一次成功研制了直径小于所传导光波长的低损耗的微纳光纤 并发表在 Nature 上 这篇论文的发表开创了一个全新的研究领域 为实现光子器件的小型化 提高敏感度 提供了一种新的选择 微纳光纤是指光纤直径达到微米 纳米级的普通光纤 目前最低能达到几十纳米 15 微纳光纤的制作不同于SMF MMF PCF可以在市场上直接购买 微纳光纤还只是实验室科研需要 所以我们需要关注MNF的制作 1 对于SMF的二步拉伸法 二步法的改进 16 2 参杂微纳光纤的制作 3 聚合物微纳光纤的制作 17 在单模光纤拉细以后 光纤可以看做是折射率均匀的玻璃纤芯 外界环境可以看做它的包层 此时光场不完全是在光纤内部传输 而是以倏逝波的形式 一部分的能量在光纤外部介质中传播 这样的传输方式也就高了MNF对外界环境的敏感度 图中 圆柱光纤内部为被约束的传导电磁场 外部为被约束在光纤周围空气中的倏逝场 而光纤越细 倏逝波越强 敏感性越强 在光纤直径为400nm时 光纤外部倐逝场占30 在光线直径为200nm时 光纤外部倐逝场占80 18 微纳光纤的损耗特性 MNF有极低的传输损耗 耦合损耗 弯曲损耗 1 由二步拉制法制作出来的MNF有非常好的均匀性 近乎完美的表质量 达到原子量级 传输损耗最低达到0 001db mm 2 由于光纤与包层空气的折射率差很大 MNF的弯曲损耗能达到0 3db mm 3 由于MNF主要是以倏逝波传播 所以在两条MNF耦合时不需要耦合器 只需要两条光纤以一定小的角度相接触即可 1 4耦合器 19 此外 MNF还有很高的机械强度与易弯曲的特点 实验可以看到MNF可弯曲形成直径小于几微米的微环而不发生形变 a 由直径500nm的微纳光纤制成的光纤环 直径小于15um b 直径280nm的微纳光纤最小弯曲半径为2 7um 这种易弯曲的特点 结合MNF的小尺寸及周围丰富的倏逝场 可以实现许多器件的小型化 20 微纳光纤的布拉格光栅 通过在MNF中写入布拉格光纤光栅 利用MNF的倏逝波传输的特性 进一步提高FBG的灵敏度 利用纤维模板法或飞秒激光点对点写入发在MNF中写入光纤光栅 相位模板法 21 MNF的应用 1 M Z干涉仪 2 谐振器 MgF2衬底上的氧化硅微纳光纤MZI的光学显徽镜照片图中两根氧化硅镦纳光纤的直径均约lum 结型knot微环谐振器 圈形loop微环谐振器 22 双环并联型微环谐振器 双环串联型微环谐振器 卷型coil谐振器 帆型reef微环谐振器 利用MNF制作的传感器具有尺度小 灵敏度高 响应速度快等许多优点 更可用于在许多特定场合下传感 对传统的传感器件质量有较大幅度的提升 目前已研制出的MNF传感器件可以对周围环境的折射率 温度 湿度 加速度 纯净度 微粒多少 等等方面进行探测传感 基于倏逝场的微纳光纤器件是非常新 刚刚开展的课题 相信在不久的将来 微纳光纤器件能够到深入的研究和广泛的应用 23 光纤传感的应用 高铁系统的安全数据监测 24 大坝 边坡 隧道 建筑等土木工程安全监测发达国家几乎所有桥梁的安全监测都采用光纤光栅传感技术德西门子等公司