光子晶體光纖氣體傳感器*

邊 靜(唐山學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部 河北 唐山 063000)

光子晶體光纖氣體傳感器*

邊 靜
(唐山學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部 河北 唐山 063000)

光纖傳感器因其具有體積小、抗電磁干擾、靈敏度高、可以形成分布式測量等優(yōu)勢，成為傳感領(lǐng)域研究的熱點之一.介紹了光子晶體光纖氣體傳感器的基本原理、分類及最新研究進展，并指出了今后研究需要解決的問題.

光子晶體光纖 氣體傳感器 折射率

光纖傳感技術(shù)是以石英光纖或塑料光纖作為信息的傳輸媒介，信號光作為信息的載體，利用外界環(huán)境因素的改變使得光在光纖中傳播的波長(或頻率)、光強及相位等特征物理參量發(fā)生改變，從而對外界因素進行傳感測量的技術(shù)[1].相比于傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感，光纖傳感器擁有許多優(yōu)越的性能，如體積小、耐腐蝕、抗電磁干擾、可用于易燃易爆等危險環(huán)境，能進一步滿足遠距離測量需要，并可以實現(xiàn)分布式傳感.光纖傳感器有極為廣泛的應(yīng)用范圍，適用于工業(yè)過程控制、環(huán)境保護、安全生產(chǎn)、國防及航天等領(lǐng)域的多物理量檢測.

1 傳統(tǒng)光纖和光子晶體光纖

1970年，康寧公司率先研制出了世界上第一根衰減低于20 dB/km的石英玻璃光纖，從此拉開了光纖研制和光纖通信研究的序幕.這種傳統(tǒng)光纖的纖芯為石英摻雜材料，其折射率為n1，包層為純石英材料，其折射率為n2(n1>n2).當光在光纖內(nèi)傳輸時，傳導(dǎo)模的模式有效折射率表示為neff，neff必須滿足條件：n2

20世紀末，在二維光子晶體基礎(chǔ)上發(fā)展起來一種新型光纖——光子晶體光纖.光子晶體光纖(Photonic crystal fiber, PCF)又稱微結(jié)構(gòu)光纖或多孔光纖，它通過層中沿軸向排列的微小空氣孔對光進行約束，從而實現(xiàn)光的軸向傳輸[2].獨特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)光特性，使得光子晶體光纖相比于常規(guī)光纖具有許多無可比擬的傳輸特性.光子晶體光纖根據(jù)導(dǎo)光機理的不同，可以分為折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖和帶隙型光子晶體光纖.折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖包層由空氣孔和石英形成，纖芯為石英，其包層有效折射率低于纖芯的折射率，因而能夠滿足全內(nèi)反射原理.與實芯光子晶體光纖不同，空芯光子晶體光纖的纖芯折射率比包層的折射率要低，無法滿足全內(nèi)反射要求，但是由于光子帶隙效應(yīng),仍然可以將光限制在低損耗的空氣纖芯內(nèi)傳播.

2 光子晶體光纖氣體傳感器的優(yōu)勢

傳統(tǒng)光纖由折射率不同的纖芯和包層組成, 基于傳統(tǒng)光纖的氣體傳感器，要用化學(xué)蝕刻、機械拋光、光纖拉錐等工藝對光纖進行加工，去除部分包層，實現(xiàn)導(dǎo)光與被檢測物質(zhì)的反應(yīng)，從而改變光波參數(shù)，實現(xiàn)光纖傳感[7～10].這些光纖處理技術(shù)會損傷光纖，且被測量樣品與光纖模場倏逝波的相互作用比較微弱，難以制作高靈敏度的傳感器.

與傳統(tǒng)光纖相比，空芯帶隙光子晶體光纖可將光波限制在中心空氣孔內(nèi)進行傳播，光纖空芯孔區(qū)域的光功率可達95%以上.待測氣體經(jīng)過擴散或者其他方法填充在光子晶體光纖中心的空氣孔區(qū)域，吸收光纖內(nèi)的激光，改變輸出的光強.人們通過檢測光信號的變化，可以測量氣體的濃度.由于光子晶體光纖具損耗低、易彎曲，可以用于長距離光信號的傳輸，這是其相對于傳統(tǒng)光纖最大的優(yōu)勢.

3 光子晶體光纖氣體傳感的研究進展

光子晶體光纖傳感器可以測量多個物理參量的變化，如聲、磁場、電流、氣體或液體的折射率、溫度、濃度、靜壓力和張力等.近年來，已有多個課題組進行了基于光子晶體光纖的氣體傳感器的研究，實現(xiàn)了對甲烷、硫化氫、二氧化碳和乙炔等氣體的傳感測量[3～7].

2001年，香港理工大學(xué)首次報道了運用全固態(tài)光子晶體光纖倏逝波檢測乙炔氣體的實驗[3]，采用直接吸收光譜技術(shù)，由于此類光纖中模場分布主要集中在二氧化硅中，未能取得理想的實驗結(jié)果，氣體檢測靈敏度低至5%.

2004年，Y.L.Hoo等人報道了空芯光子帶隙光纖中乙炔氣體擴散測量實驗[4]，根據(jù)氣體分子吸收光譜原理，通過測量光纖中光強曲線，監(jiān)測光纖空芯內(nèi)的氣體濃度.實驗結(jié)果表明，氣體在10 cm長度的空芯光纖自由擴散，濃度達到90%的響應(yīng)時間約1 min，這一響應(yīng)速度難以實現(xiàn)氣體傳感的實時監(jiān)測.為解決這一難題，該課題組進行了多年研究.

2010年，Y.L.Hoo 課題組取得突破性進展，報道了一種快速響應(yīng)和高度敏感的空心光纖甲烷傳感器[4].運用飛秒激光加工技術(shù)在空芯光子晶體光纖的側(cè)面打孔，使得氣體進入孔洞與纖芯直接接觸，將響應(yīng)時間減小至 3 s，克服了該類氣體傳感器實時性差的缺點，且所開微孔尺寸很小，不會引起大的損耗，也可適用于長光纖傳感.

2011年，Kyung Shik Lee 等人在帶隙型光子晶體光纖上刻錄光柵[5]，并運用波長調(diào)制技術(shù)，將激光波長調(diào)制到特定的乙炔氣體吸收譜線上，通過觀察乙炔衍射光譜的變化，反映氣體溫度、濃度的變化.

2012年，Shavrin I等人報道了基于PCF的 Mach-Zehnder干涉型的氣體傳感器[6]，將干涉儀的兩個臂分別連接單模光纖與空芯光子晶體光纖，在空芯光子晶體光纖內(nèi)充入氣體，通過干涉條紋的變化測得的折射率分辨率高達 4×10-7.

2015 年，香港理工大學(xué)靳偉課題組報道了基于光子晶體光纖和光熱光譜分析法的超靈敏、大動態(tài)范圍全光纖的氣體傳感技術(shù)[7].該方法基于氣體分子吸收產(chǎn)生的光熱效應(yīng)，利用其引起的周期性相位調(diào)制，結(jié)合先進的光纖干涉儀相位解調(diào)技術(shù)，實現(xiàn)了對氣體濃度的檢測.該實驗為探索光纖氣體傳感開闊了新的思路.

4 光子晶體光纖氣體傳感的關(guān)鍵技術(shù)

為了提高光子晶體光纖氣體傳感器的性能，需要解決以下關(guān)鍵問題：

(1)提高響應(yīng)速度.可行的方法有采取泵浦法促進氣體擴散，采用多段光子晶體光纖連接，采用飛秒激光加工技術(shù)對光纖進行側(cè)面開孔，采用動態(tài)氣體流通的方法.

(2)光纖處理技術(shù).如何在低損耗情況下實現(xiàn)單模光纖與光子晶體光纖的連接，以及對光纖接頭的保護層進行處理.

(3)高穩(wěn)定光源及其驅(qū)動技術(shù).盡量采用高穩(wěn)定性激光器驅(qū)動器，減少光路抖動產(chǎn)生的誤差.

(4)信號處理技術(shù).采用波長調(diào)制技術(shù)與鎖相放大技術(shù)，可以有效地抑制噪聲，提高氣體檢測靈敏度.

(5)單?？招竟庾泳w光纖制備技術(shù).模間干涉會影響傳感器的穩(wěn)定性及檢測靈敏度，是導(dǎo)致測量誤差的主要因素.

5 結(jié)束語

光纖氣體傳感器有著更為廣闊的應(yīng)用前景，需要人們不斷探索.如何利用現(xiàn)有的數(shù)字信號處理技術(shù)，進一步降低光學(xué)噪聲，提高光路穩(wěn)定性，縮短實驗的響應(yīng)時間，提高光子晶體光纖氣體傳感系統(tǒng)的性能，成為今后國內(nèi)外科研機構(gòu)的主要研究方向.

1 張麗.光子晶體光纖傳感器的傳感特性研究:[學(xué)位論文].天津:天津理工大學(xué),2014.1～56

2 沈修鋒.光纖傳感器的制作工藝及工程應(yīng)用研究:[學(xué)位論文].北京:北京理工大學(xué),2015.1～67

3 周金龍.新型光纖光柵技術(shù)及其在光通信與光纖傳感方面應(yīng)用的研究:[學(xué)位論文].廈門:廈門大學(xué),2008.1～118

4 趙娜等.基于光纖粗錐型馬赫-曾德爾干涉儀的高靈敏度溫度傳感器的研制.光譜學(xué)與光譜分析,2014,34(6):1722～1726

5 李濤.光纖光柵濕度傳感器的研究:[學(xué)位論文].杭州:中國計量學(xué)院,2012.1～67

6 陳金平.基于Mach-Zehnder干涉的光纖傳感器的特性研究:[學(xué)位論文].寧波:寧波大學(xué),2014.1～56

7 黃小亮.基于光子晶體光纖和紅外吸收光譜的氣體傳感系統(tǒng)的研究:[學(xué)位論文].長春:吉林大學(xué),2016.1～88

2017-03-02)

*唐山學(xué)院2015年科研項目，項目編號：15008B