54.070006(2017) L一费光气光电子学进展三 ©2017《中国激光3杂志社 光子晶体光纤传感器研究进展 马使，余海湖，熊家国*，郑羽 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，湖北武汉430070 摘要光子品体光纤(PC℉)具有许多不同于普通光纤的特性，将PC下应用于传感领域是近年来的研究热点。介绍 了C下的基本结构，导光原理及制备方法，概述了干涉型，吸收型，荧光型，表而等离子体共振型，拉曼散射型及光 阴型PC下传感器的原理及国内外研究进展，分析了其应用领域和优缺点，展望了PC下传感器的发展趋势。 关键词光纤光学：光子品体光纤：干涉仪：荧光：表面等离子体共振：拉曼散射 中图分类号TP212.14 文献标识码A doi:10.3788/L0P54.070006 Research Progress of Photonic Crystal Fiber Sensors Ma Jian,Yu Haihu,Xiong Jiaguo,Zheng Yu National Engine ring Laborutory for Fiber Owic Sensing Technology.Wuhan University of Technology Wahan.Hi 430070.China Abstract Photonic crystal fiber (PCF has many characteristics which are different from those of traditional optical guidingprnncplcandpweperaionmeth development trendof PCF sensors is prospeeted. Key fiber optics photonic crystal fiber;interferometer;fluorescence;surface plasmon resonance;Raman 0C1 S codes060.2370;060.5295:040.1880 1引 言 随着信息化时代的到来，物联网这一概念越来越频繁地被人们提及。作为物联网的关键组成部分，传感 器的重要性日益凸显。作为传感器的一个分支，光纤传感器发展至今已有30多年，并以优异的性能占据重 要地位，如航天、军事等领域对光纤驼模仪、光纤申流传感紫、光纤水听器等产品有大量需求 光子品体光纤(PCF 一类在包层区域具有二维周期性折射率变化的特殊光纤，可通过引入空气孔结 构或多组分材料进行制备园，这种包层微结构使得℃下成为独特的光波导以及具有色散可调制，传输可控 等特性)，并且这些特性与光纤结构密切相关，即通过改变结构参数可改变PCF的特性)，故自其诞生以 来一直受到人们的广泛关注。P℃F不仅在脉冲压缩、高次谐被、超连续谱、色散调控、粒子传输等方面具 有很大的应用价值，也为光纤传感器的设计提供了新的选择。近年来，基于PC下的传感技术引起诸多研究 者的兴趣，各种具有优异性能的新型传感结构不断被提出，因此PC℉传感器具有广泛的发展前景 收精日期：2016-12-01收到修改精日期：2017-02-2 金项目：国家自然科学基金(61290311)，湖北省自然科学基金(2015AAA001 作者简介：马健(1993一).男，士研 E-mail:hhyu whut.edu.cn *通信联系人。E-mail:对g@whut.edu.cm 070006-1 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.enki.ne
书 激光与光电子学进展 ５４，０７０００６（２０１７） Ｌａｓｅｒ＆ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＰｒｏｇｒｅｓｓ ○Ｃ２０１７《中国激光》杂志社 光子晶体光纤传感器研究进展 马 健，余海湖，熊家国＊，郑 羽 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉 ４３００７０ 摘要 光子晶体光纤（ＰＣＦ）具有许多不同于普通光纤的特性，将 ＰＣＦ应用于传感领域是近年来的研究热点。介绍 了 ＰＣＦ的基本结构、导光原理及制备方法，概述了干涉型、吸收型、荧光型、表面等离子体共振型、拉曼散射型及光 栅型 ＰＣＦ传感器的原理及国内外研究进展，分析了其应用领域和优缺点，展望了 ＰＣＦ传感器的发展趋势。 关键词 光纤光学；光子晶体光纤；干涉仪；荧光；表面等离子体共振；拉曼散射 中图分类号 ＴＰ２１２．１４ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５４．０７０００６ ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒＳｅｎｓｏｒｓ ＭａＪｉａｎ，ＹｕＨａｉｈｕ，ＸｉｏｎｇＪｉａｇｕｏ，ＺｈｅｎｇＹｕ ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＳｅｎｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３００７０，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒ（ＰＣＦ）ｈａｓｍａｎｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｈｉｃｈａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｏｓｅｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ，ａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＣＦｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄｂｅｃｏｍｅｓａｈｏｔｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｐｉｃｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｇｕｉｄｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆＰＣＦａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｔｈｏｍｅａｎｄ ａｂｒｏａｄｏｆｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ，ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＲａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄｇｒａｔｉｎｇＰＣＦ ｓｅｎｓｏｒｓａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄｓ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ＰＣＦ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆＰＣＦｓｅｎｓｏｒｓｉｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ；ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ；ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ；Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ＯＣＩＳｃｏｄｅｓ ０６０．２３７０；０６０．５２９５；０４０．１８８０ 收稿日期：２０１６－１２－０１；收到修改稿日期：２０１７－０２－２８ 基金项目：国家自然科学基金（６１２９０３１１）、湖北省自然科学基金（２０１５ＡＡＡ００１） 作者简介：马 健（１９９３—），男，硕士研究生，主要从事光纤传感及特种光纤方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｅｒｏｍｅｍａ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ 导师简介：余海湖（１９６３—），男，博士，教授，博士生导师，主要从事特种光纤及传感器方面的研究。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｈｙｕ＠ｗｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ ＊通信联系人。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｊｇ＠ｗｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ １ 引 言 随着信息化时代的到来，物联网这一概念越来越频繁地被人们提及。作为物联网的关键组成部分，传感 器的重要性日益凸显。作为传感器的一个分支，光纤传感器发展至今已有３０多年，并以优异的性能占据重 要地位，如航天、军事等领域对光纤陀螺仪、光纤电流传感器、光纤水听器等产品有大量需求。 光子晶体光纤（ＰＣＦ）是一类在包层区域具有二维周期性折射率变化的特殊光纤，可通过引入空气孔结 构或多组分材料进行制备［１－２］，这种包层微结构使得 ＰＣＦ成为独特的光波导以及具有色散可调制、传输可控 等特性［１－３］，并且这些特性与光纤结构密切相关，即通过改变结构参数可改变 ＰＣＦ的特性［３］，故自其诞生以 来一直受到人们的广泛关注。ＰＣＦ不仅在脉冲压缩、高次谐波、超连续谱、色散调控、粒子传输等方面［４－９］具 有很大的应用价值，也为光纤传感器的设计提供了新的选择。近年来，基于 ＰＣＦ的传感技术引起诸多研究 者的兴趣，各种具有优异性能的新型传感结构不断被提出，因此 ＰＣＦ传感器具有广泛的发展前景。 ０７０００６－１
54.07006(2017 激光与光电子学进展 www.opticsjoumal.net 本文分别介绍了几种PC下传感器的原理及国内外研究进展，对其各自应用领域和优缺点进行了分析， 并对PC℉传感器的未来发展趋势进行了展望。 2PC℉原理及制备方法 1991年，Russ©1等[提出在二维光子品体中引入线形缺陷。光子带隙的作用使得某些频率的光局限 于线型缺陷中，从而可达到传导光的目的。1996年PCF拉制成功，但其纤芯为实芯结构，包层空气孔的引 入使纤芯折射率高于包层整体折射率，PCF与普通光纤一样按照全内反射原理导光，称为折射案引导型 PC。1998年，基于光子带隙原理的PCF被提出)。光子带隙型PCF的纤芯具有较大的空气孔，当光 在纤芯中以某个角度入射至包层微结构时，包层的周期性结构使光产生多重散射，多重散射引起的 干涉减羽 将导致光无法通过包层微结构而返回纤芯，即在某一特定传播常数3下，如果光的频率落入包层微结构的光 子带隙之中，光就会受到包层的排斥而被限制在纤芯中)。 PCF的制备方法有堆拉法、挤压法、化学腐蚀法和机械钻孔法等。堆拉法是目前采用较名的方法，利用 该方法制作的种不同米的PC的扫描由子显微镜(SM)图片如图1所示，主要步为.1)将空/ 芯石英棒拉制成所需尺寸的毛细管/细棒，堆栈成所需要的形状并紧密套人尺寸较大的空芯石英棒中[图 ()门：2)将堆栈后的结构拉制成中间体预制棒[图2(b)门：3)将中间体预制棒再次紧密套入一定尺寸的空芯 石英棒中，形成光纤预制棒，再拉制光纤预制棒以得到PC℉[图2(c)门。需要注意的是，在中间体预制棒及光 纤成品的拉制过程中，压力控制决定气孔的形状及大小，堆拉法的优点是无需引入其他特殊设备，普通光纤 拉丝塔即可满足生产条件，且所制备预制棒成品的轴向均匀度好，缺点是堆积时易引入灰尘、水分等杂质，从 而降低光纤性能， 图1PCF的SEM图像（黑色区域为空气孔）.(a)折射幸引导型PCF:(b)光子带隙型PCF Fig.1 SEM images of PCF (black areas are air holes).(a)Index-guiding type PCF(b)photonie bandgap type PCF stack (e) cane+jacket tub cane 图2采用堆拉法制备CF的示意图。(a)细管堆：(b)中间体预制棒的拉制：（®）CF的最终拉 Fig.2 Schematic of PCE fabrication with s ack-and-draw (a)Stacking of tubules (b)drawing of intermediate preform (final drawing of PCF 070006-2 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enkine
５４，０７０００６（２０１７） 激光与光电子学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ 本文分别介绍了几种 ＰＣＦ传感器的原理及国内外研究进展，对其各自应用领域和优缺点进行了分析， 并对 ＰＣＦ传感器的未来发展趋势进行了展望。 ２ ＰＣＦ原理及制备方法 １９９１年，Ｒｕｓｓｅｌｌ等［１０］提出在二维光子晶体中引入线形缺陷。光子带隙的作用使得某些频率的光局限 于线型缺陷中，从而可达到传导光的目的。１９９６年 ＰＣＦ拉制成功，但其纤芯为实芯结构，包层空气孔的引 入使纤芯折射率高于包层整体折射率，ＰＣＦ 与普通光纤一样按照全内反射原理导光，称为折射率引导型 ＰＣＦ［１１］。１９９８年，基于光子带隙原理的 ＰＣＦ被提出［１２］。光子带隙型 ＰＣＦ的纤芯具有较大的空气孔，当光 在纤芯中以某个角度入射至包层微结构时，包层的周期性结构使光产生多重散射，多重散射引起的干涉减弱 将导致光无法通过包层微结构而返回纤芯，即在某一特定传播常数β下，如果光的频率落入包层微结构的光 子带隙之中，光就会受到包层的排斥而被限制在纤芯中［１３］。 ＰＣＦ的制备方法有堆拉法、挤压法、化学腐蚀法和机械钻孔法等。堆拉法是目前采用较多的方法，利用 该方法制作的２种不同类型的 ＰＣＦ的扫描电子显微镜（ＳＥＭ）图片如图１所示，主要步骤为：１）将空芯／实 芯石英棒拉制成所需尺寸的毛细管／细棒，堆栈成所需要的形状并紧密套入尺寸较大的空芯石英棒中［图２ （ａ）］；２）将堆栈后的结构拉制成中间体预制棒［图２（ｂ）］；３）将中间体预制棒再次紧密套入一定尺寸的空芯 石英棒中，形成光纤预制棒，再拉制光纤预制棒以得到 ＰＣＦ［图２（ｃ）］。需要注意的是，在中间体预制棒及光 纤成品的拉制过程中，压力控制决定气孔的形状及大小。堆拉法的优点是无需引入其他特殊设备，普通光纤 拉丝塔即可满足生产条件，且所制备预制棒成品的轴向均匀度好，缺点是堆积时易引入灰尘、水分等杂质，从 而降低光纤性能。 图１ ＰＣＦ的ＳＥＭ 图像（黑色区域为空气孔）。（ａ）折射率引导型 ＰＣＦ；（ｂ）光子带隙型 ＰＣＦ Ｆｉｇ．１ ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＰＣＦ （ｂｌａｃｋａｒｅａｓａｒｅａｉｒｈｏｌｅｓ）．（ａ）Ｉｎｄｅｘ－ｇｕｉｄｉｎｇｔｙｐｅＰＣＦ；（ｂ）ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐｔｙｐｅＰＣＦ 图２ 采用堆拉法制备 ＰＣＦ的示意图。（ａ）细管堆栈；（ｂ）中间体预制棒的拉制；（ｃ）ＰＣＦ的最终拉制 Ｆｉｇ．２ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＰＣＦｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｓｔａｃｋ－ａｎｄ－ｄｒａｗ ｍｅｔｈｏｄ．（ａ）Ｓｔａｃｋｉｎｇｏｆｔｕｂｕｌｅｓ； （ｂ）ｄｒａｗｉｎｇｏｆｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｐｒｅｆｏｒｍ；（ｃ）ｆｉｎａｌｄｒａｗｉｎｇｏｆＰＣＦ ０７０００６－２
54.07006(2017) 激光与光电子学进展 www.opticsjoural.net 3PCF传感器 C下自证生以来一直受到人们的广泛关注，在来冲压缩，高次谐波，超诈续落、伍散调控、粒子传输等方 面已有大量研究。不同于普通光纤 PC下易于通过灵活的结构设计获得一些新的性质，如多孔结构、无截止 单模，色散调制，非线性可控和高双折射效应等，有望拓展光纤传感器的应用范用。近年来国内外许多课题 组开展了有关PCF传感技术的研究，并取得了一些进展。 3.1干涉型PCF传感器 干涉型光纤传感器主要基于波动光学中光的干涉原理，已经发展出法布里珀罗(-P)、马赫曾德尔(M Z),萨奈克等多种类型，可广泛应用于温湿度、应变、曲率，折射率测量等诸多领域。为了获得良好的干涉效 应，干涉型传感器通常要求光传输模式及偏振态一致，因此需使用具有高双折射的单模光纤。通过结构设 可使PC℉获得无截止单模及高双折射特性，因此PCF适用于干涉型传感。有些干涉型传感器要求光纤本 身能够传输或微发2个或2个以上模式以产生模间干涉，也可通过结构设计使P℃F获得少模、多模特性或 者激发出包层模式，从而增加传感器结构设计的灵活性。 2013年，Rota odrigo等制作了 一种基于高双折射PC下的内反射干涉仪，入射光在端面被反射后 背向传输通过线偏振片时能够引起信号分量之间的干涉，在3200me应变下灵敏度可达7,96dB/me。同 年，Qureshi等报道了一种采用双芯PCF的M-Z干涉仪，双芯模式产生模间干涉，在0~4000e应变范 围内的灵敏度为一0.31Dm/mE。Ji等1的设计了一种拉锥型PCFM-Z干涉传感器，其折射率灵敏度为 210.075m/RIU。对实芯光子品体光纤(SCPCF)进行熔融拉锥后，干涉臂长度得到增加，从而增大了传感 区域与外界环境的耦合程度，提高了灵敏度。2014年，Noor等[将实芯PC℉ 端熔接单模光纤 另 气孔熔塌成弧形以制成一种湿度传感器。入射光到达孤形熔塌端面可激发出包层模式，随后与纤芯模式产 生模间干涉，相对湿度范闹为60%一80%，80%~95%时每1%湿度变化对应的波长漂移分别为20.3pm和 61.6Dm。同年，Peng等1]将单摸光纤与一小段双芯PCF熔接，双状前后端面之间形成F-P干涉整，范围 得到温度范围为40 480℃时灵敏度为0.013nm/℃。Go g等将长度为36m的空芯光子晶体光纤 (HCPCF)两端熔接同一个耦合器同侧的两个输出肾，以形成萨茶克干涉环，得到0一9.9m曲率范围内的 曲率灵敏度为0.232nm·m,且温度响应低。Yag等0在保偏PC下包层表面利用磁控溅射技术沉积钯/银 (Pd/Ag)氢敏膜，当氢气浓度不同时氢敏膜膨胀程度不同，利用萨充克干涉原理实现04%浓度范用的氢 气检测。2015年，1u等]采用双空气孔保偏PC制备了基于模间干涉原理的弯曲传感器，该传感器可检 测出10一30mm范围内的弯曲半径 ,同年，Dash等设计了一种F-P干涉仪（图3），可实现温度及折射 的测量，该设计的独特之处在于将实芯、空芯PC℉熔接，利用电弧放电效应使熔接处的空芯PC℉包层空气 孔坍塌而形成封闭F-P微腔。该传感器的温度灵敏度为0.012nm/℃，折射率灵敏度为30nm/RIU,分辨率为 3×10RU一1，该课题组还提出了种大模场实齿PC下微弯后包层线偏振(LP,)模式与纤格基模发生模间干 涉的折射率传感器，灵敏度为258nm/RIU。 如图4所示，将Kagome型空芯PC下两端熔接单模光纤，熔接时入射侧纤芯略微错开，从而可激发包层 模式，利用纤芯模式和包层模式之间的干涉实现M-Z干涉。M-Z干涉仪在20 ~60℃范用内具有高达 图3封闭型F-P微腔探头。(a制作过程示查图：实物图：（心）PCF截面店 Fig.3 Sealed F-P micro cavity probe (a)Schematic of producing process(b)picture of real product (c)cross section image of PCl 070006-3 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
５４，０７０００６（２０１７） 激光与光电子学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ ３ ＰＣＦ传感器 ＰＣＦ自诞生以来一直受到人们的广泛关注，在脉冲压缩、高次谐波、超连续谱、色散调控、粒子传输等方 面已有大量研究。不同于普通光纤，ＰＣＦ易于通过灵活的结构设计获得一些新的性质，如多孔结构、无截止 单模、色散调制、非线性可控和高双折射效应等，有望拓展光纤传感器的应用范围。近年来国内外许多课题 组开展了有关 ＰＣＦ传感技术的研究，并取得了一些进展。 ３．１ 干涉型ＰＣＦ传感器 干涉型光纤传感器主要基于波动光学中光的干涉原理，已经发展出法布里－珀罗（Ｆ－Ｐ）、马赫－曾德尔（Ｍ－ Ｚ）、萨奈克等多种类型，可广泛应用于温湿度、应变、曲率、折射率测量等诸多领域。为了获得良好的干涉效 应，干涉型传感器通常要求光传输模式及偏振态一致，因此需使用具有高双折射的单模光纤。通过结构设计 可使 ＰＣＦ获得无截止单模及高双折射特性，因此 ＰＣＦ适用于干涉型传感。有些干涉型传感器要求光纤本 身能够传输或激发２个或２个以上模式以产生模间干涉，也可通过结构设计使 ＰＣＦ获得少模、多模特性或 者激发出包层模式，从而增加传感器结构设计的灵活性。 ２０１３年，Ｒｏｔａ－Ｒｏｄｒｉｇｏ等［１４］制作了一种基于高双折射 ＰＣＦ的内反射干涉仪，入射光在端面被反射后， 背向传输通过线偏振片时能够引起信号分量之间的干涉，在３２００ｍε应变下灵敏度可达７．９６ｄＢ／ｍε。同 年，Ｑｕｒｅｓｈｉ等［１５］报道了一种采用双芯 ＰＣＦ的 Ｍ－Ｚ干涉仪，双芯模式产生模间干涉，在０～４０００με应变范 围内的灵敏度为 －０．３１ｐｍ／ｍε。Ｊｉ等［１６］设计了一种拉锥型 ＰＣＦ Ｍ－Ｚ 干涉传感器，其折射率灵敏度为 ２１０．０７５ｎｍ／ＲＩＵ。对实芯光子晶体光纤（ＳＣＰＣＦ）进行熔融拉锥后，干涉臂长度得到增加，从而增大了传感 区域与外界环境的耦合程度，提高了灵敏度。２０１４年，Ｎｏｏｒ等［１７］将实芯 ＰＣＦ一端熔接单模光纤，另一端空 气孔熔塌成弧形以制成一种湿度传感器。入射光到达弧形熔塌端面可激发出包层模式，随后与纤芯模式产 生模间干涉，相对湿度范围为６０％～８０％、８０％～９５％时每１％湿度变化对应的波长漂移分别为２０．３ｐｍ 和 ６１．６ｐｍ。同年，Ｐｅｎｇ等［１８］将单模光纤与一小段双芯 ＰＣＦ熔接，双芯前后端面之间形成 Ｆ－Ｐ干涉腔，范围 得到温度范围为４０～４８０ ℃时灵敏度为０．０１３ｎｍ／℃。Ｇｏｎｇ等［１９］将长度为３６ｃｍ 的空芯光子晶体光纤 （ＨＣＰＣＦ）两端熔接同一个耦合器同侧的两个输出臂，以形成萨奈克干涉环，得到０～９．９ｍ－１曲率范围内的 曲率灵敏度为０．２３２ｎｍ·ｍ，且温度响应低。Ｙａｎｇ等［２０］在保偏 ＰＣＦ包层表面利用磁控溅射技术沉积钯／银 （Ｐｄ／Ａｇ）氢敏膜，当氢气浓度不同时氢敏膜膨胀程度不同，利用萨奈克干涉原理实现０～４％浓度范围的氢 气检测。２０１５年，Ｌｉｕ等［２１］采用双空气孔保偏 ＰＣＦ制备了基于模间干涉原理的弯曲传感器，该传感器可检 测出１０～３０ｍｍ 范围内的弯曲半径。同年，Ｄａｓｈ等［２２］设计了一种 Ｆ－Ｐ干涉仪（图３），可实现温度及折射率 的测量，该设计的独特之处在于将实芯、空芯 ＰＣＦ熔接，利用电弧放电效应使熔接处的空芯 ＰＣＦ包层空气 孔坍塌而形成封闭Ｆ－Ｐ微腔。该传感器的温度灵敏度为０．０１２ｎｍ／℃，折射率灵敏度为３０ｎｍ／ＲＩＵ，分辨率为 ３×１０－４ ＲＩＵ－１；该课题组还提出了一种大模场实芯ＰＣＦ微弯后包层线偏振（ＬＰ１１）模式与纤芯基模发生模间干 涉的折射率传感器，灵敏度为２５８ｎｍ／ＲＩＵ［２３］。 图３ 封闭型 Ｆ－Ｐ微腔探头。（ａ）制作过程示意图；（ｂ）实物图；（ｃ）ＰＣＦ截面图 Ｆｉｇ．３ ＳｅａｌｅｄＦ－Ｐｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙｐｒｏｂｅ．（ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｐｒｏｄｕｃｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ；（ｂ）ｐｉｃｔｕｒｅｏｆｒｅａｌｐｒｏｄｕｃｔ； （ｃ）ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｏｆＰＣＦ 如图４所示，将 Ｋａｇｏｍｅ型空芯 ＰＣＦ两端熔接单模光纤，熔接时入射侧纤芯略微错开，从而可激发包层 模式，利用纤芯模式和包层模式之间的干涉实现 Ｍ－Ｚ 干涉。Ｍ－Ｚ 干涉仪在 ２０～６０ ℃ 范围内具有高达 ０７０００６－３
54.07006(2017 激光与光电子学进居 www.opticsjoumal.net 0,03m/℃的温度灵敏度，与现有光纤干涉传感器相比，灵敏度明显得到提升，且线性度和重复性好，测量 精度可达0.1℃。将Kagome型光纤 端熔接单模光纤，另一端熔接高反射面以制成一种F-P干涉仪，两个 熔接端面之间形成反射腔，人射光在反射整内往返干涉，最后从入射端给出。Kagome型光纤在温度、振动 测量等方面具有潜在应用」 干涉传感可针对基干几平所右新结构的PC进行设计，是目前研究最广的P传感器米型 干涉型P℃F传密器的优点在于传感器的结构及制备方法相对简单，稳定性好且可用于多种环境物理量的测 量，缺点是测量时存在多参量交叉敏感问题且测量灵敏度较低。 a optical spectrum analyer single 5 s对ngle mode fiber n gome PC下 high reflectivity interface mut-mode be 图4 Kagome型PCF的干涉型传感器示意图，(a)M-Z干涉仅：(b)F-P干涉仪 Fig.4 Schematic of interferometrie sensors based on Kagome PCF.(a)M-Z interferometer(b)F-Pinterferometer 3.2吸收型PCF传感器 吸收型传感器的工作机理主要基于Beer-l.ambert定律，即 A-Ig()-ked, (1) 式中A为吸光度，d为光程，k为吸收系数，c为样品浓度，山为输入光强，1为输出光强。当传感器及待测样 品一定时，光程及光吸收系数就已经确定，通过测量输人光强和输出光强可以计算出吸光度，进而建立样品 浓度与吸光度之间的关系。在具有多孔结构的PCF内部直接通入气体或液体，使其与气孔表面的倏逝波相 互作用。该过程无需像普酒光纤一样对包层进行腐蚀或拉锥，在简化操作的同时保证了传感结构的强度，具 有显著优势。 在气体传感方面，2014年.Yu等e0将长度为72.5 m,光纤直径为18um的空芯PCF与单模光纤通过 光纤连接器进行空间耦合，乙炔气体分子在耦合间隙处扩散进人C下内部，如图5所示，当乙炔气体浓度 不同时，1531.58m乙块特征吸收峰处的透射强度的变化不同，成功实现了乙炔气体浓度检测，响应时间约 为200s。2015年，Kassani等研制了一种乙炔气体传感器，传感探头结构为多模光纤-C型光纤空芯 PC下C型光纤-多模光纤的一体化结构，C利光纤的长度为50m,气体从C刑光纤槽口处进入传成通道内 部，如图6所示】 各部分之间的熔接使得传感探头结构稳定，抗振动等外界干扰能力强 美度下的南位时同的为及7心品来浓度下的南时间的为4且童复性角定 84%的乙块 良好。2016年，Feng等设计了一种石英增强光声光谱检测系统，采用长度为5m、内部充满氨气的空光 C下作为参考气室，两端用单模光纤熔接密封，成功实现了痕量氨气检测，研究表明通过控制空芯光纤的长 度可以获得强度合活、干涉噪声低的参考透射谱。在液体生化传感方而，2010年，Main等[叮在空芯PCI 内部填充含有不同浓度的霍乱肠毒素(cholerd um)溶液，依据不同浓度溶液的吸光度不同的原理，在0一 2.5g/L范围内实现了蛋白浓度检测 2016年，Rabah等a利用三孔悬芯PCF实现了单克隆 mAb)抗体溶 液的无标记检测，将不同浓度的单克隆(mAb)抗体溶液填充至悬芯光纤内部，检测极限达到0.37mol/L,响 应时间小于25s。吸收型传感器的机理明确、应用范周较广，缺点在于对待测物质的纯度要求高，特别是在 低浓度范围内检测时不能含有较多杂质。日前，气体吸收型传感器的效果和可操作性优于液体吸收型，已初 非得到工程应用，如句讲一北缩短响应时间、降低检测极限是吸收型传感器需要殊续提升的方向，而研发新 070006-4 1994-2018 China Academic Jour al Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
５４，０７０００６（２０１７） 激光与光电子学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ ０．０３ｎｍ／℃的温度灵敏度，与现有光纤干涉传感器相比，灵敏度明显得到提升，且线性度和重复性好，测量 精度可达０．１℃。将 Ｋａｇｏｍｅ型光纤一端熔接单模光纤、另一端熔接高反射面以制成一种Ｆ－Ｐ干涉仪，两个 熔接端面之间形成反射腔，入射光在反射腔内往返干涉，最后从入射端输出。Ｋａｇｏｍｅ型光纤在温度、振动 测量等方面具有潜在应用。 干涉型传感器可针对基于几乎所有新颖结构的 ＰＣＦ 进行设计，是目前研究最广的 ＰＣＦ 传感器类型。 干涉型 ＰＣＦ传感器的优点在于传感器的结构及制备方法相对简单、稳定性好且可用于多种环境物理量的测 量，缺点是测量时存在多参量交叉敏感问题且测量灵敏度较低。 图４ Ｋａｇｏｍｅ型 ＰＣＦ的干涉型传感器示意图。（ａ）Ｍ－Ｚ干涉仪；（ｂ）Ｆ－Ｐ干涉仪 Ｆｉｇ．４ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄｏｎＫａｇｏｍｅＰＣＦ．（ａ）Ｍ－Ｚｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；（ｂ）Ｆ－Ｐｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ３．２ 吸收型ＰＣＦ传感器 吸收型传感器的工作机理主要基于 Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔ定律，即 Ａ ＝ｌｇ Ｉ０ （ ） Ｉ ＝ｋｃｄ， （１） 式中Ａ 为吸光度，ｄ为光程，ｋ为吸收系数，ｃ为样品浓度，Ｉ０ 为输入光强，Ｉ为输出光强。当传感器及待测样 品一定时，光程及光吸收系数就已经确定，通过测量输入光强和输出光强可以计算出吸光度，进而建立样品 浓度与吸光度之间的关系。在具有多孔结构的 ＰＣＦ内部直接通入气体或液体，使其与气孔表面的倏逝波相 互作用。该过程无需像普通光纤一样对包层进行腐蚀或拉锥，在简化操作的同时保证了传感结构的强度，具 有显著优势。 在气体传感方面，２０１４年，Ｙｕ等［２４］将长度为７２．５ｃｍ、光纤直径为１８μｍ 的空芯 ＰＣＦ与单模光纤通过 光纤连接器进行空间耦合，乙炔气体分子在耦合间隙处扩散进入 ＰＣＦ内部，如图５所示。当乙炔气体浓度 不同时，１５３１．５８ｎｍ 乙炔特征吸收峰处的透射强度的变化不同，成功实现了乙炔气体浓度检测，响应时间约 为２００ｓ。２０１５年，Ｋａｓｓａｎｉ等［２５］研制了一种乙炔气体传感器，传感探头结构为多模光纤－Ｃ 型光纤－空芯 ＰＣＦ－Ｃ型光纤－多模光纤的一体化结构，Ｃ型光纤的长度为５０μｍ，气体从 Ｃ型光纤槽口处进入传感通道内 部，如图６所示。各部分之间的熔接使得传感探头结构稳定、抗振动等外界干扰能力强。该传感器在４． ８４％的乙炔浓度下的响应时间约为８．７ｍｉｎ，０．５３％低浓度下的响应时间约为１６．４ｍｉｎ，且重复性和稳定性 良好。２０１６年，Ｆｅｎｇ等［２６］设计了一种石英增强光声光谱检测系统，采用长度为５ｍ、内部充满氨气的空芯 ＰＣＦ作为参考气室，两端用单模光纤熔接密封，成功实现了痕量氨气检测，研究表明通过控制空芯光纤的长 度可以获得强度合适、干涉噪声低的参考透射谱。在液体生化传感方面，２０１０年，Ｍａｌｉｎｉｎ等［２７］在空芯 ＰＣＦ 内部填充含有不同浓度的霍乱肠毒素（ｃｈｏｌｅｒｏｇｅｎｕｍ）溶液，依据不同浓度溶液的吸光度不同的原理，在０～ ２．５ｇ／Ｌ范围内实现了蛋白浓度检测。２０１６年，Ｒａｂａｈ等［２８］利用三孔悬芯 ＰＣＦ实现了单克隆（ｍＡｂ）抗体溶 液的无标记检测，将不同浓度的单克隆（ｍＡｂ）抗体溶液填充至悬芯光纤内部，检测极限达到０．３７ｍｏｌ／Ｌ，响 应时间小于２５ｓ。吸收型传感器的机理明确、应用范围较广，缺点在于对待测物质的纯度要求高，特别是在 低浓度范围内检测时不能含有较多杂质。目前，气体吸收型传感器的效果和可操作性优于液体吸收型，已初 步得到工程应用，如何进一步缩短响应时间、降低检测极限是吸收型传感器需要继续提升的方向，而研发新 ０７０００６－４
54.07006(2017） 激光与光电子学进展 www.opticsjoural.net 式结构的C下作为传感探头是可能的提升途径 此外，若在PC℉的气孔中填充液体或液晶等物质，这些物质比石英玻璃对温度，压力、磁场等外界条件 变化更为敏感，与孔内表面倏逝波相互作用后，透射光能够对外界参量的变化产生响应。Yú等)提出了 种乙醇填充的PCF温度传感器，在毛细管力和大气压力的共同作用下，乙醇被吸入PCF的空气孔中。乙醇 的吸光度及折射奉会随温度变化发生改变，输出光与表面倏逝波作用后，功素随之发生改变。当使用的 PC下长度为10cm时，该传感器的温度灵镇度为0.315dB/ 2011年，Thakur等在保偏PC中填充 基磁流体，磁流体的光学性质随磁场强度变化而变化，透射光谱中峰位产生漂移，当四氧化三铁的浓度为 0.6g/L时磁场灵敏度为0.242m/T,2012年，Zu等[们在光子带隙型PCF中填充了铁基甲苯磁流体，磁 场灵敏度达到124.14nm/(A·m-1),分辨率为0.51A·m-1,2016年.Peng等[3将有机液体填充的PCF 与单模光纤光栅进行小于1B的低损耗熔接，在0~150℃范围内实现了温度测量，灵敏度明显高于仅使用 传统单模光栅的情形。Yu等四在Kagome型PCF内部填充温敏液体异丙醇，填充液体后Kagome光纤 隙结构发生改变，1600nm处出现损耗峰，且损耗峰随温度变化发生显著漂移，在20一50℃范围内理论温度 灵敏度可达到4.09nm/℃ (a light source 图5空间合型PCF乙焕气体传感器.(a)实验装置示意图：(b)PCF截面图 Fig.5 Spatia-coupling type CF acetylene gas diagram ;(b)cr ection i image of PCE 图6C型光纤连接型PCF乙块气体传感器。(a)传感探头结构：()PC下截面图 Fig.6 C-shape fiber conected type PCF acetylenegas snor (a)Structure of sening probe(b)crosstio imae of PCF 3.3荧光型PCF传感器 光纤荧光型传感器能够利用某种特定波长的入射光激发相应物质，以产生较长波长的荧光。激发出的 荧光信号由传感探头进行收集，当荧光信号传输至检测系统时，对其进行分析处理。荧光强度及寿命等特 会随着被测物质浓度及环境介质的变化而变化，通过检测荧光强度或荧光寿命等特性可实现物质浓度或环 境物理量的传感。普通光纤由于受到纤芯尺寸和接收角的限制，荧光收集率较低，而PC℉可通过灵活的结 构设计获得较大的吸收面积及接收角，且待测物质有时可以直接进入内部空气孔，在很大程度上提高了荧光 收集效率 2011年，Fuji等将一段PCF与10mm单模光纤熔接，并用化学方法将单模光纤纤芯腐蚀成锥形，同 时沉积金(Au)膜并将其作为传感探头。将该传感探头靠近幅/硒(Cd/Sc)荧光量子点沉积膜，可以对产生的 荧光排行高精度荧光寿命检测。温度不同时自发荧光寿命不同，从而可实现温度传感。PCF具有独特的导 光原理，其纤芯为纯二氧化硅而未掺杂其他元素，使其检测到的荧光信号的信噪比更高，检测效果优于仅使 用单模光纤作为传感探头的检测结果。2012年，Xo等设计了一种后向荧光检测系统，如图7所示。 极管激光器发出的光源通过连接器与空芯PC℉探头耦合，照射到Cy3染料分子上并激发出荧光，荧光型 PC下收集荧光，并将其后向传导至锁相放大系统。Cv3染料分子在负压作用下讲入PCF探头内部，提高了 070006- 1994-2018 China Academie Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
５４，０７０００６（２０１７） 激光与光电子学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ 式结构的 ＰＣＦ作为传感探头是可能的提升途径。 此外，若在 ＰＣＦ的气孔中填充液体或液晶等物质，这些物质比石英玻璃对温度、压力、磁场等外界条件 变化更为敏感，与孔内表面倏逝波相互作用后，透射光能够对外界参量的变化产生响应。Ｙｕ等［２９］提出了一 种乙醇填充的 ＰＣＦ温度传感器，在毛细管力和大气压力的共同作用下，乙醇被吸入 ＰＣＦ的空气孔中。乙醇 的吸光度及折射率会随温度变化发生改变，输出光与表面倏逝波作用后，功率随之发生改变。当使用的 ＰＣＦ长度为１０ｃｍ 时，该传感器的温度灵敏度为０．３１５ｄＢ／℃。２０１１年，Ｔｈａｋｕｒ等［３０］在保偏ＰＣＦ中填充铁 基磁流体，磁流体的光学性质随磁场强度变化而变化，透射光谱中峰位产生漂移，当四氧化三铁的浓度为 ０．６ｇ／Ｌ时磁场灵敏度为０．２４２μｍ／Ｔ。２０１２年，Ｚｕ等［３１］在光子带隙型 ＰＣＦ中填充了铁基甲苯磁流体，磁 场灵敏度达到１２４．１４ｎｍ／（Ａ·ｍ－１），分辨率为０．５１Ａ·ｍ－１。２０１６年，Ｐｅｎｇ等［３２］将有机液体填充的 ＰＣＦ 与单模光纤光栅进行小于１ｄＢ的低损耗熔接，在０～１５０℃范围内实现了温度测量，灵敏度明显高于仅使用 传统单模光栅的情形。Ｙｕ等［３３］在 Ｋａｇｏｍｅ型 ＰＣＦ内部填充温敏液体异丙醇，填充液体后 Ｋａｇｏｍｅ光纤带 隙结构发生改变，１６００ｎｍ 处出现损耗峰，且损耗峰随温度变化发生显著漂移，在２０～５０ ℃范围内理论温度 灵敏度可达到４．０９ｎｍ／℃。 图５ 空间耦合型 ＰＣＦ乙炔气体传感器。（ａ）实验装置示意图；（ｂ）ＰＣＦ截面图 Ｆｉｇ．５ Ｓｐａｔｉａｌ－ｃｏｕｐｌｉｎｇｔｙｐｅＰＣＦａｃｅｔｙｌｅｎｅｇａｓｓｅｎｓｏｒ．（ａ）Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｄｉａｇｒａｍ；（ｂ）ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｏｆＰＣＦ 图６ Ｃ型光纤连接型 ＰＣＦ乙炔气体传感器。（ａ）传感探头结构；（ｂ）ＰＣＦ截面图 Ｆｉｇ．６ Ｃ－ｓｈａｐｅｆｉｂｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｙｐｅＰＣＦａｃｅｔｙｌｅｎｅｇａｓｓｅｎｓｏｒ．（ａ）Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｅｎｓｉｎｇｐｒｏｂｅ；（ｂ）ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｏｆＰＣＦ ３．３ 荧光型ＰＣＦ传感器 光纤荧光型传感器能够利用某种特定波长的入射光激发相应物质，以产生较长波长的荧光。激发出的 荧光信号由传感探头进行收集，当荧光信号传输至检测系统时，对其进行分析处理。荧光强度及寿命等特性 会随着被测物质浓度及环境介质的变化而变化，通过检测荧光强度或荧光寿命等特性可实现物质浓度或环 境物理量的传感。普通光纤由于受到纤芯尺寸和接收角的限制，荧光收集率较低，而 ＰＣＦ可通过灵活的结 构设计获得较大的吸收面积及接收角，且待测物质有时可以直接进入内部空气孔，在很大程度上提高了荧光 收集效率。 ２０１１年，Ｆｕｊｉｉ等［３４］将一段 ＰＣＦ与１０ｍｍ 单模光纤熔接，并用化学方法将单模光纤纤芯腐蚀成锥形，同 时沉积金（Ａｕ）膜并将其作为传感探头。将该传感探头靠近镉／硒（Ｃｄ／Ｓｅ）荧光量子点沉积膜，可以对产生的 荧光进行高精度荧光寿命检测。温度不同时自发荧光寿命不同，从而可实现温度传感。ＰＣＦ具有独特的导 光原理，其纤芯为纯二氧化硅而未掺杂其他元素，使其检测到的荧光信号的信噪比更高，检测效果优于仅使 用单模光纤作为传感探头的检测结果。２０１２年，Ｘｉａｏ等［３５］设计了一种后向荧光检测系统，如图７所示。二 极管激光器发出的光源通过连接器与空芯 ＰＣＦ 探头耦合，照射到 Ｃｙ３染料分子上并激发出荧光，荧光型 ＰＣＦ收集荧光，并将其后向传导至锁相放大系统。Ｃｙ３染料分子在负压作用下进入 ＰＣＦ探头内部，提高了 ０７０００６－５