光纤传感器综述之微纳光纤

1、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l 光纤传感器光纤传感器(OFS Optical Fiber Sensor) (OFS Optical Fiber Sensor) 是是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。器。l 它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以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。光纤传感器电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为用光作为敏感信息的载体敏感信息的载体，用，用光纤

2、光纤作为传递敏感信息的作为传递敏感信息的媒质媒质。l它具有光纤及光学测量的特点。它具有光纤及光学测量的特点。l 电绝缘性能好。电绝缘性能好。l 抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。l 非侵入性。非侵入性。l 高灵敏度。高灵敏度。l 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。l 光是一种电磁波，其波长从极远红外的光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmmlmm到极远紫外到极远紫外线线 的的10nm10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化学作用生物化学作用主要因其中的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电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的

3、电矢量矢量E E的振动，即的振动，即l l A A- -电场电场E E的振幅矢量；的振幅矢量； - -光波的振动频率；光波的振动频率；l - -光相位；光相位；t t- -光的传播时间。光的传播时间。 只要使光的只要使光的强度强度、偏振态偏振态( (矢量矢量A A的方向的方向) )、频率频率和和相相位位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量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。制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。 tAE

4、sin 1996 IBM Corporation涂层和缓冲层 缓冲层 涂层 包覆层 核心层核心层50/125 光纤为例50 125 250 900 microns 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、PMaaaaa 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

5、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MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb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SMMMSMMMb,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MMMMMMcbb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光纤传感器的分类第二节 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，

6、写入光栅。l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（1m）两类。l （ 1 ) 短周期光纤光栅 （FBG）l 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 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 输入 LPGl 利用光纤光栅中利用光纤光栅中反射或透射的光谱反射或透射的光谱对外界环境的敏感对外界环境的敏感特性，光纤光栅特性，光纤光栅温温度、应变敏感的特度、应变敏感的特性，通过传感头

7、的性，通过传感头的设计设计/ /封装，可以封装，可以测量各种物理参数：测量各种物理参数：l温度、应变、压力、温度、应变、压力、位移、位移、液位、加速液位、加速度、气体含量、弯度、气体含量、弯曲，等等曲，等等 2. 光子晶体光纤l自然界中的光子晶体的例子光子晶体光纤的导光原理光子晶体光纤的导光原理 a.全内反射型全内反射型 PCF导光原理导光原理 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. b.光子带隙型光子带隙型 PCF导光机理导光机理 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. 图

8、1 TIR-PCF 折射率型光子晶体光纤图2 PGB-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。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l 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

9、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光子晶体光纤的优点: :（1 1）无截止单模传输特性）无截止单模传输特性( Endlessly Single Mode)( Endlessly Single Mode) （2 2）不同寻常的色度色散特性）不同寻常的色度色散特性 （3 3）极好的非线性效应）极好的非线性效应 （4 4）优良的双折射效应）优良的双折射效应（5 5）可用于实现多芯传输）可用于实现多芯传输l第三节 微纳光纤 MNF Micro- and nano-fiber 相对于光纤光

10、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l微纳光纤的制作l 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。l 1.对于SMF的二步拉伸法 二步法的改进：2.参杂微纳光纤的制作 3. 聚合物微纳光纤的制

11、作l 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%。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），

12、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27um 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。微纳光纤的布拉格光栅 通过在MNF中写入布拉

13、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。光纤传感的应用高铁系统的安全数据监测l大坝、边坡、