光纤传感器综述之微纳光纤.ppt

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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。①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤容易实现对被测信号的远距离监控。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

2、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；ω-光波的振动频率；φ-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。Ó1996IBMCorporation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）S

3、agnac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

4、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。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（Λ<1μm）和长周期（Λ>1μm）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

5、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LPG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2.光子晶体光纤自然界中的光子晶体的例子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.图1TIR-PCF

6、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。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

7、、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