仪表技术与传感器
I nstru ment Technique and Sens or 2008
No 12
基金项目:河北省教育厅博士基金(B2004502);河北大学博士基金
(2004028);河北省基金预研项目(2005Y12)收稿日期:2007-04-30 收修改稿日期:2007-09-29
光子晶体光纤传感器的研究进展
苏红新,王 坤,崔建华,郭庆林
(河北大学物理科学与技术学院,河北保定 071002)
摘要:简要介绍了光子晶体光纤的基本结构、导光原理和主要特性。依据传感机理将光子晶体光纤传感器分为4类:吸收型光子晶体光纤传感器、荧光光子晶体光纤传感器、干涉型光子晶体光纤传感器、光子晶体光纤光栅传感器,分别对其工作原理、结构、特点和研究进展进行了讨论。
关键词:光子晶体光纤;传感器;消逝波;荧光;干涉仪;光纤光栅
中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2008)02-0006-03
Research Progress of Photon i c Cryst a l F iber Sen sor
S U Hong 2xin,WANG Kun,C U I J ian 2hua,G UO Q ing 2lin
(College of Physi ca l Sc i ence and Technology,Hebe i Un i versity,Baod i n g 071002,Ch i n a)
Abstract:The basic structure,guiding p rinci p le and the characteristics of the phot onic crystal fiber were intr oduced briefly .According t o the p rinci p le of sensing,phot onic crystal fiber sens ors are divided int o four kinds:the abs orbable phot onic crystal fi 2ber sens ors,the fluorescent phot onic crystal fiber sens or,the interferential phot onic crystal fiber sens ors and the phot onic crystal fiber gratings sens or .The mechanis m,structure,characteristics and the p r ogress of these phot onic crystal fiber sens ors were dis 2cussed res pectively .
Key words:phot onic crystal fiber;sens or;evanescent wave;fluorescence;interfer ometer;fiber grating 0 引言
光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰、结构简单、体积小、质量轻、光路可弯曲、对被测介质影响小、便于形成网络等优点,有着广泛的应用前景。然而,采用普通光纤作为敏感元件的光纤传感器存在一些难以克服的缺点,如:耦合损耗较大、保偏特性差和存在交叉敏感问题等,了光纤传感器性能的进一步提高。20世纪90年代中期[1],研制出一种光子晶体光纤(Phot onic crystal fiber,PCF )。这种光纤具有许多优点[2],如:无截止的单模特性、低损耗特性、灵活的色散特性、可控的非线性、极强的双折射效应以及可进行微结构设计改造等,采用光子晶体光纤构成的光纤传感器有望解决这些问题。近年来,光子晶体光纤传感器受到各国研究人员的重视[3-5],已经有相关的研究报道。
1 光子晶体光纤简介
光子晶体光纤(PCF ),也称为微结构光纤(M icr ostruc 2
ture fiber )或者多孔光纤(Holy fiber )。根据其导光机制的不
同,一般可分为两种:一种是全内反射(TI R )型光子晶体光纤;另一种是光子带隙(P BG )型光子晶体光纤。
典型TI R 型光子晶体光纤一般由石英材料构成,其纤芯是实心的,而包层为多孔结构,截面如图1(a )所示。存在气孔的目的是减小包层的有效折射率,使纤芯折射率比包层的有效折射率高,从而把光子在纤芯中。这种光纤最主要的特点是具有无截止的单模特性,从近紫外到近红外全波
段可维持单模运行;它还有良好的色散特性,并且零色散点可以通过调整空气孔的直径来进行调节;它的模场面积可以根据需要进行灵活设计,通过对横截面结构设计,还可以得到高双折射光纤。另外,这种光纤还有弯曲损耗小、可控的非线性等其他的优点。
P BG 型光子晶体光纤一般也是由石英材料构成,但是其纤
芯(一般是空气或真空的)的折射率比包层的有效折射率要低,如图1(b )所示。它的导光原理基于光子带隙(P BG )效应,这与传统的光纤有着本质的不同,因此又称为P BG 光纤。这种光纤包层中的气孔必须按周期排列,从而形成二维光子晶体结构,在包层中形成了二维光子带隙。但是,由于的纤芯折射率比包层中空间填充模(s pace filling mode )的有效折射率低,这样就在二维带隙中产生一个缺陷,形成不完全的光子带隙结构,
P BG 光纤就是用这种不完全的光子带隙结构来导光的。由于P BG 光纤中的大部分光都集中在中空的芯区,所以光在进入光
纤时没有菲涅耳反射,因此耦合效率很高;并且与材料本身有关的吸收损耗、色散效应和非线性效应等都会大大降低
。
(a )TI R 型PCF (b )空气芯P BG 型PCF
图1 PCF 截面图
由于光子晶体光纤具有上述独特的结构和导光特性,使其
第2期
苏红新等:光子晶体光纤传感器的研究进展
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不仅可以作为敏感元件(或传输元件)代替普通光纤构成传感器,提高已有光纤传感器的性能,而且能够开发出各种基于自身特点的新型光纤传感器。
2 光子晶体光纤传感器2.1 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n L 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TI R 型光子晶体光纤能较好地解决这个问题[3]。
通过把样品填充进TI R 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。
但是,TI R 型光子晶体光纤构成的光纤传感器也存在不足。计算表明:TI R 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P BG 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
P BG 光纤传感器具有更高的检测灵敏度。Hoo 等用P BG 型光
子晶体光纤进行了乙炔气体扩散检测的实验[6],装置见图2。实验中所用的P BG 光纤长度为10c m,芯区直径大约为1015μm,包层中的气孔直径约为313μm,多模光纤与光子晶体光纤之间的间隔大约是50μm.当气体室充满乙炔气体时,吸收峰处波长为153218312n m,分布反馈式激光器发出信号光的调制频率保持在0133Hz .由实验结果计算出乙炔气体在光纤中的扩散系数D =0117552c m 2/s,这与乙炔在空气中的扩散系数
(0117774cm 2
/s )极为接近。该传感器极快的响应速度主要因
为这种P BG 型光子晶体光纤具有较大的纤芯直径(1015μm )
.
(a )装置图 (b )光纤截面图图2 PCF 传感器实验装置图与所用PBG 光纤截面结构图
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: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。
2.2 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,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。图3[7]是Konor ov 等利用后向荧光检测样品的实验示意图。半导体激光通过直径只有几μm 的双包层光子晶体光纤纤芯照射到样品上,激发样品分子发射出单光子荧光,然后利用较大的包层区域(200～340μm )来收集样品的所发出的单光子荧光,最后用放置在光源附近的检测装置进行分析。其中探测装置和光源放置在一起是为了降低耦合损耗和噪声的影响。实验中所用光子晶体光纤的损耗约为
70d B /k m,传感器在15m 远的距离就能够检测出待测样品。
这是一种结构非常简单的非接触式检测方法,可以广泛应用在生物、医药、化学反应和环境监测等方面。
(a )原理图 (b )光纤截面图
图3 荧光PCF 传感器原理图与所用光纤截面图
2.3 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
M ach 2Zehner 干涉仪、Sagnac 光纤干涉仪、Fabry 2Per ot 干涉仪以
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温度敏感性。
2003年,Nasil owski 等设计了一种高双折射光纤
[8]
。这种
光纤对温度的敏感性显著低于普通高双折射光纤,但是对压力的敏感性却大大高于普通高双折射光纤。2004年,Guan 等也设计制造出了一种高双折射光子晶体光纤[9],这种光纤在480～1620n m 范围内保偏,而且偏振串扰优于-25d B,并且抗弯曲串扰能力极强,在弯曲半径为10mm 时偏振串扰也不会恶化。这种特性对于开发新一代的光纤陀螺有重大意义,因为偏
振串扰和双折射的温度敏感性会极大地影响光纤陀螺的性能。
图4[10]为一种远距离测量曲率传感器的示意图,其基本结构就是Mach 2Zehner 干涉仪。实验中采用宽带超强二极管作为光源,其中心波长为860n m,带宽为20n m,输出功率约为1
mW.采用的光纤是双芯光子晶体光纤,可以看作是一个M ach 2Zehner 干涉仪:两个纤芯相当于Mach 2Zehner 干涉仪的两臂,一
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Feb 12008
个是信号光臂,一个是参考光臂,把光源的光分成两束相干光在两个纤芯中传播。通过这两束光的干涉来得到由于外界压力而产生的光程差,再由光程差计算出光纤的曲率。而且它对温度的敏感性还很低。这种传感器是一种全光纤传感器,灵敏度误差小于5%
。
(a )原理图 (b )光纤截面图
图4 曲率测量传感器原理图与光纤横截面图
光子晶体光纤还可应用于光纤传感器的光信号调解。
2005年,Yang Xiufeng 等设计出一种全光纤结构的光纤布拉格
光栅(F BG )传感器[11]。在该实验装置中,利用P M -1550-01型光子晶体光纤(H i B i -PCF )构成Sagnac 滤波器,实现了对光纤光栅压力信号的解调。并且发现:适当地改变H i B i -PCF 的长度可以改变传感器的量程和灵敏度。
2.4 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,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。
2003年,Gr oothoff 等利用双光子吸收法研制了光子晶体光
纤光栅[12]。在研制过程中,通过对光子晶体光纤光栅的物理结构的改变,使它在高温情况下达到较好的稳定性。实验发现:在500℃高温下的透射谱与常温下的透射谱几乎一样,说明该光纤光栅具有良好的高温稳定性。
2006年,Dobb 等报道了一种长周期光子晶体光纤光
栅
[13]
,其温度灵敏度小于6pm /℃,远小于普通单模光纤光栅
的温度漂移,这就较好地解决了传统光纤光栅的交叉敏感问题。同时还发现:用大模面积光子晶体光纤制作的长周期光纤光栅在不同方向上的弯曲灵敏度表现出不一致性,灵敏度最高为d λ/d R =(-1214±112)n m,但在相反的方向上灵敏度却为
(-91±110)n m,这一特性可以用来实现变量的传感。
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[14]。这种加入液晶的光纤在温度或外加电场[15]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。
3 结束语
光子晶体光纤具有新颖的结构和独特的光学特性,随着光纤制造技术的不断发展,光子晶体光纤的特性会不断地在
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。参考文献:
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作者简介:苏红新(1972—),博士,副教授,研究方向为光通信与光纤传
感技术。E -mail:op ticlab@126.com下载本文
