光纤传感器综述之微纳光纤
一种基于空芯光纤的微纳光纤振动传感器[发明专利]
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专利名称：一种基于空芯光纤的微纳光纤振动传感器专利类型：发明专利
发明人：江毅,张柳超,姜澜,刘达,王素梅
申请号：CN201610423867.7
申请日：20160615
公开号：CN106124027A
公开日：
20161116
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于空芯光纤的微纳光纤振动传感器，属于光纤传感领域。
单模光纤、空芯光纤和实芯光纤顺序熔接；所述空芯光纤为中空圆柱体，且在圆柱体侧面中心处开设槽口；该槽口的轴向长度需小于中空圆柱体的长度；所述槽口是通过用飞秒激光从空芯光纤侧面烧蚀形成的。
本发明避免了飞秒激光加工光纤所形成反射面的反射率低甚至没有反射的问题，且具有体积小、共振频率高、耐高温、抗电磁干扰等特点，可用于高温环境下的振动测量。
申请人：北京理工大学
地址：100081 北京市海淀区中关村南大街5号
国籍：CN
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光纤传感技术的应用与改进
光纤传感技术的应用与改进光纤传感技术是一种基于光学原理的传感技术，利用光纤作为传感元件，通过测量光的特性来实现对环境参数和物理量的监测和测量。
近年来，随着科技的不断发展，光纤传感技术已经在许多领域得到了广泛的应用，并呈现出了许多改进的趋势。
一、应用领域1. 温度传感光纤传感技术的一个重要应用领域是温度传感。
由于光纤传感技术具有高灵敏度、长途传输和抗电磁干扰的特点，因此它被广泛应用于温度测量和监控领域。
光纤温度传感器可以实现高精度的温度测量，并且可以在各种恶劣环境条件下长时间工作。
2. 应变监测应变是许多工程领域中需要关注的一个重要参数。
光纤传感技术可以通过测量光纤的长度变化来实现对应变的监测。
相比于传统的传感技术，光纤传感器具有更高的灵敏度和更长的传输距离，能够实时监测结构物体的应变情况，可用于航空航天、地震监测、桥梁结构等领域。
3. 压力测量光纤传感技术在压力测量领域也有广泛的应用。
通过将反射光信号与压力传感的环境参数相比较，可以实现对压力变化的高精度测量。
这种传感技术特别适用于高温、高压、强腐蚀等恶劣环境的压力测量，可应用于石油化工、航空航天等行业。
4. 气体传感光纤传感技术还可以实现对气体参数的监测。
通过利用气体对光的散射或吸收特性，可以将光纤传感器用于气体浓度、组分、压力等参数的测量。
这种传感技术具有高灵敏度、快速响应的特点，被广泛应用于空气质量监测、环境污染检测等领域。
二、技术改进1. 纤光光栅技术纤光光栅技术是一种基于光纤中的光栅结构的传感技术。
它利用特殊设计的光纤结构，在光纤中形成一系列的光栅，通过测量光栅的特征参数来实现对环境参数的测量。
这种技术具有高精度、高灵敏度和高分辨率的特点，并且可以实现多点、多参量的测量。
2. 光纤光谱传感技术光纤光谱传感技术是一种基于光纤中的光谱特征的传感技术。
通过测量光纤中的光谱参数，如光强、波长等，可以实现对环境参数和物理量的高精度测量。
这种技术具有高分辨率、高信噪比和高灵敏度的优点，被广泛应用于环境监测、医疗诊断等领域。
微纳光纤及其应用_伍晓芹
微纳光子学专题摘要微纳光纤是一种直径接近或小于传输光波长的波导，由物理拉伸方法制得，具有表面光滑、直径均匀性好、机械性能高、强光场约束、强倏逝场、表面场增强效应及反常波导色散等特性，在光通信、激光、传感检测、非线性光学、量子光学等领域具有重要的应用前景。
关键词微纳光纤，光波导，纳米光子学，近场耦合，传感器，发光器件，非线性光学，原子光学，量子光学Abstract Optical microfibers and nanofibers have diameters close to or smaller than thewavelength of the guided light.Fabricated by physical drawing of glass or polymer materials,these tiny fibers show excellent surface smoothness and diameter uniformity,high mechanical strength,tight optical confinement,strong evanescent field,significant surface field enhancement,and large and abnormal waveguide dispersion,which bestow them with a variety of applications in fields ranging from optical communication,laser technology,sensors,nonlinear optics,and quantum op-tics.Keywordsmicro-nano fiber,optical waveguides,nanophotonics,near-field coupling,sensors,light emitting devices,nonlinear optics,atom optics,quantum optics*国家重点基础研究发展计划(批准号：2013CB328703)、国家自然科学基金(批准号：61475140)资助项目１引言作为光纤光学与纳米技术的完美结合，微纳光纤是近年来发展起来的光纤光学及微纳光子学等领域的前沿研究方向之一[1—6]。
微纳光纤和mems光纤
微纳光纤和mems光纤一、简介微纳光纤和mems光纤是两种在微型光学器件中广泛应用的微型光纤器件。
微纳光纤是一种直径在微米到纳米的纤维状光纤，而mems光纤则是一种微型化的光子晶体光纤。
它们在激光雷达、医疗、光谱、激光切割等众多领域具有广泛的应用前景。
二、结构1. 微纳光纤：微纳光纤的直径通常在几微米到几十微米之间，其结构包括包层、芯和过渡区。
包层材料通常是玻璃或塑料，而芯是由掺杂或未掺杂的金属氧化物组成。
由于其尺寸的微小性，微纳光纤具有极高的光学质量和传导性能，能够实现高精度的光子传输。
2. mems光纤：mems光纤是一种具有特殊光子晶体结构的纤维状光纤。
它的芯是由多孔材料构成，孔内填充折射率不同的介质，形成周期性结构。
这种结构使得mems光纤具有了特殊的电磁波传导性能，能够实现光的局域和定向传输。
三、特点1. 微纳光纤：微纳光纤的特点是尺寸小、传导性能好、光学质量高。
由于其尺寸的微小性，微纳光纤可以用于实现高精度的光学传感和传导。
2. mems光纤：mems光纤的特点是微型化、高稳定性和定向传输。
它的特殊光子晶体结构使得其能够适应各种特定的光子应用需求，如激光雷达、医疗等领域。
四、应用1. 激光雷达：微纳光纤的高光学质量和高传导性能使其成为激光雷达技术的理想选择。
通过将微纳光纤布置在适当的角度和位置，可以实现高精度的激光反射和传导，从而实现对目标的精确探测。
2. 医疗领域：mems光纤的特殊光子晶体结构和定向传输性能使其在医疗领域具有广泛的应用前景。
例如，它可以用于光学显微镜，实现高清晰度的光学成像；还可以用于激光手术刀，实现精确的手术切割和止血。
3. 光谱分析：微纳光纤可以用于光谱分析中，实现高精度的光谱传导和反射。
通过将微纳光纤布置在适当的角度和位置，可以实现对光源和被测物的精确光谱测量，为光谱分析和研究提供重要的数据支持。
4. 激光切割：mems光纤的高稳定性和定向传输性能使其在激光切割领域具有广泛应用前景。
《基于微纳光纤的布里渊散射传感机理研究》范文
《基于微纳光纤的布里渊散射传感机理研究》篇一一、引言近年来，随着科技的发展和技术的不断进步，光纤传感器因其高灵敏度、抗电磁干扰等优点得到了广泛的应用。
微纳光纤，作为一种新兴的光纤传感器技术，凭借其小型化、集成化、高精度的优势，为光子器件领域的研究与应用带来了巨大的潜力。
而布里渊散射，作为一种光与声子相互作用的非线性散射过程，被广泛运用于传感器、光纤通信、激光等领域。
本文旨在探讨基于微纳光纤的布里渊散射传感机理，分析其工作原理和特点，并进一步揭示其应用价值。
二、微纳光纤概述微纳光纤，是一种直径在微米至纳米级别的高精度光纤。
其制作工艺精细，结构紧凑，具有较高的光传输效率。
微纳光纤的独特之处在于其尺寸的缩小使得光与物质的相互作用增强，从而提高了传感器的灵敏度和响应速度。
此外，微纳光纤还具有较好的柔韧性和生物相容性，使其在生物医学、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
三、布里渊散射概述布里渊散射是一种非线性散射过程，其基本原理是光在介质中传播时与声波相互作用，导致光波发生散射。
这种散射过程中，光波的频率和方向都会发生变化，因此可以用来检测介质中的声波和温度等信息。
布里渊散射具有高灵敏度、高分辨率和高信噪比等优点，被广泛应用于传感器、光纤通信等领域。
四、基于微纳光纤的布里渊散射传感机理基于微纳光纤的布里渊散射传感机理主要涉及以下几个方面：首先，当光在微纳光纤中传播时，由于光纤内部声波的振动作用，导致光波发生布里渊散射。
这种散射过程会产生不同频率和方向的光波，这些光波包含了介质中的声波和温度等信息。
其次，通过特定的探测系统，可以捕获这些散射光信号并进行分析。
其中，频谱分析技术可以用于检测散射光的频率变化，从而推断出介质中的声波和温度等信息。
由于微纳光纤的高灵敏度和高响应速度，使得这种传感技术具有较高的精度和稳定性。
最后，根据所获取的信息，可以实现对介质中声波和温度等参数的实时监测和反馈。
这种传感技术可以应用于多个领域，如环境监测、生物医学、光纤通信等。
微纳光纤发展史
微纳光纤以其损耗小、价格低廉、易于批量生产等优点，被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域，发挥着不可或缺的作用。
微纳光纤的制造工艺和结构特性，微纳光纤对于光场的调制，以及微纳光纤对于输出光束的光束质量的影响等受到人们越来越多的关注。
进入21 世纪，伴随光纤通信朝着超高速、超大容量和超长距离的方向发展，以及器件设计理论和制备工艺技术的发展，人们对器件工作性能和集成度的要求不断提高，器件的微型化已成为科学技术研究与应用的重要趋势之一。
其中，微纳光波导是研究微纳光子学现象和构筑微纳光子器件的重要基石，是当前纳米光子学领域的研究热点之一。
与其它种类的微纳光波导（如硅基平面波导、金属表面等离子体波导）相比，微纳光纤具有极低的耦合损耗、粗糙度极低的波导表面、高折射率差的强限制光场、大百分比的倏逝场、极轻的质量和灵活的色散特性等优点。
这些特性使得微纳光纤在光纤光学、近场光学、非线性光学和量子光学等基础研究和微纳尺度的光传输、耦合、调制、谐振、放大和传感等器件方面都具有潜在的应用价值，近年来吸引了越来越多研究者的注意。
近年来，微纳光纤以其损耗小、价格低廉、易于批量生产等优点，被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域，发挥着不可或缺的作用。
微纳光纤的制造工艺和结构特性，微纳光纤对于光场的调制，以及微纳光纤对于输出光束的光束质量的影响等受到人们越来越多的关注。
孙伟民等研究了熔锥光纤的制作工艺及测量方法；孙爱娟等研究了熔锥光纤的传输特性；张娜等利用锥形光纤制作了测量液体参量的传感器；李立波等利用锥形光纤实现了对大模场光纤激光器光束质量的改善；段云峰等利用熔融拉锥光纤制作了全光纤的脉冲光纤放大器；Orucevic等研究了锥形光纤近场的传输情况；Miy azaki等使用拉锥的多模光纤来获得小尺寸的光斑；Brambilla等研究了锥形光纤的制作和应用。
微纳光纤
（4）微纳光纤的应用
微纳光纤作为光波导具有以下独特的优点：具有极低的光纤 到器件再到光纤的耦合损耗，粗糙度极低的波导表面，高折射 率差的强限制光场，大百分比的倏逝场，极轻的质量及灵活的 色散特性。 利用微纳光纤的独特优势，研究者们已研制了各种基于微纳光 纤的无源光子器件，如耦合器、M-Z干涉仪、FP谐振器及微环 谐振器等；并且基于这些器件，在激光器、传感器、光信号处 理、原子操控等方面的应用也相继展开。
2、微纳光纤的特性及优点
微纳光纤的敏感特性
在光线直径为200nm时，光纤外部倐逝场占80%， 在光纤直径为400nm时，光纤外部倐逝场占30%。
在微纳光纤中，根据直径的不同，会有不同百分比的 光场在光纤之外以倏逝波的形式传播，这部分倏逝场将可 以感知外界环境某些参量的变化，就可以做成高灵敏度的 传感器。（倏逝场强）
微纳光纤 MNF
Micro- and nano-fiber
1. 微纳光纤简介
2. 微纳光纤的特性及优点 3. 微纳光纤的制造 4. 微纳光纤的应用
1、微纳光纤简介
微纳光纤是指
光纤直径达到微米、纳米级的普通光纤。
2、微纳光纤的特性及优点
（1）倏逝场强。
------用来感知光纤周围介质或通过外界参量对光纤传输特性进行调控
2、微纳光纤的特性及优点
微纳光纤的损耗特性
MNF有极低的传输损耗、弯曲损耗、耦合损耗。 （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）微纳光纤因制作工艺特点，天然的就和单模光 纤连接在一起，因此具有极低的器件到光纤的耦合损 耗，通常小于1db。
《基于微纳光纤的布里渊散射传感机理研究》
《基于微纳光纤的布里渊散射传感机理研究》篇一一、引言在现代传感器技术的发展中，光纤传感技术因其独特的优势而受到广泛关注。
布里渊散射传感技术，基于光纤中布里渊散射的物理过程，通过分析散射信号来获取外界信息，具有高灵敏度、高分辨率和长距离传输等优点。
近年来，随着微纳光纤技术的快速发展，基于微纳光纤的布里渊散射传感技术成为研究的热点。
本文将针对基于微纳光纤的布里渊散射传感机理进行深入研究。
二、微纳光纤概述微纳光纤是指直径在微米或纳米级别，具有独特的光学特性的光纤。
其制备工艺和材料研究为传感器技术提供了新的可能性。
微纳光纤具有较高的光场限制能力，可以有效地提高布里渊散射的信号强度，同时其较小的尺寸使得其具有更高的空间分辨率和灵敏度。
三、布里渊散射基本原理布里渊散射是光在介质中传播时，与介质中的声波相互作用而产生的非线性散射现象。
在光纤中，由于光与声波的相互作用，布里渊散射产生的声波会在光纤中传播，并通过光纤传播的回波被探测器捕获。
这种技术被广泛应用于光学通信、生物医学等领域。
四、基于微纳光纤的布里渊散射传感机理在微纳光纤中，由于光纤尺寸的减小，布里渊散射过程更加敏感和精确。
在布里渊散射过程中，微纳光纤中传播的光波会与介质中的声波相互作用，从而产生频移现象。
这种频移现象被用于获取温度、压力、应力等外界信息。
同时，由于微纳光纤的高灵敏度和高空间分辨率，使得这种传感器具有更高的测量精度和更广泛的应用范围。
五、实验研究及结果分析为了验证基于微纳光纤的布里渊散射传感机理，我们进行了相关实验研究。
通过制备不同直径的微纳光纤，并对其在不同环境条件下的布里渊散射信号进行测量和分析，我们发现微纳光纤的直径越小，布里渊散射信号的强度越高，同时频移现象也更加明显。
此外，我们还通过实验研究了温度、压力等因素对布里渊散射信号的影响，验证了其传感特性的可靠性和稳定性。
六、应用前景与展望基于微纳光纤的布里渊散射传感技术具有广阔的应用前景。
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光强
入射光谱
LPG 输入
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
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
1996 IBM Corporation
涂层和缓冲层
涂层
核心层和包覆层是不可分割的玻璃层
{
缓冲层
50/125 光纤为例
缓冲层 涂层 包覆层 核心层
涂层
50 125 250
缓冲层
900 microns
光纤传感器的分类
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
TIR-PCF 是通过全反射 原理来导光，与普通光 纤类似；
图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
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。
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
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 电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
SM、PM
a
干涉
温度
SM、PM
a
遮光板遮断光路
温度、振动、压力、加速度、位移
MM
b
半导体透射率的变化 温度
MM
b
强度调制 荧光辐射、黑体辐射 温度
MM
b
非 光纤温度 光纤微弯损耗
振动、压力、加速度、位移
SM
b
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
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：
2.参杂微纳光纤的制作 3. 聚合物微纳光纤的制作
第三节 微纳光纤 MNF Micro- and nano-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。
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、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( Endlessly Single Mode) （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
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
矢量E的振动，即
E Asint
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。
a. 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.
b. 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.
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。
速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度
MM
c
MM
b
MM
b
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 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。
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
光强
入射光谱 反射光谱
光强
透射光谱
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。
传感器 振动膜或液晶的反射 振动、压力、位移
MM
b
气体分子吸收
气体浓度
MM
b
干
光纤漏泄膜
液位
MM
b
偏振调 法拉第效应 制光纤 泡克尔斯效应 涉 温度传 双折射变化 感器 光弹效应
电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移
SM
b,a
MM
b
SM
b
MM
b
型 频率调制 多普勒效应 光纤温度 受激喇曼散射 传感器 光致发光
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
1
第一节 光纤传感的综述
光纤传感器(OFS Optical Fiber Sensor) 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。