現(xiàn)代傳感技術(shù)第5章課件

1、光纖傳感技術(shù)5.1 光纖的基礎(chǔ)知識(shí)5.2 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器5.3 相位調(diào)制型光纖傳感器5.4 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器5.5 偏振調(diào)制型光纖傳感器5.6 頻率調(diào)制型光纖傳感器5.7 光子晶體光纖傳感器5.8 分布式光纖傳感器光纖的基礎(chǔ)知識(shí)光纖傳感器工作的實(shí)質(zhì)是通過(guò)光調(diào)制器，將一個(gè)攜帶著待測(cè)信息（被測(cè)對(duì)象）的信號(hào)疊加到載波光波上，經(jīng)光纖傳輸后由光探測(cè)系統(tǒng)解調(diào)、經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后檢測(cè)出所需要的待測(cè)信號(hào)。而光調(diào)制器能使光纖的傳輸參數(shù)或載波光波參數(shù)隨待測(cè)信號(hào)的變化而改變。這些參數(shù)包括：光纖的折射率、傳播常數(shù)、光波的強(qiáng)度（振幅）、位相、頻率、偏振以及波長(zhǎng)等。 光纖的基礎(chǔ)知識(shí)1. 光纖波導(dǎo)的原理圖 51

2、 當(dāng)光線從較高折射率介質(zhì)向較低折射率介質(zhì)傳播時(shí)，在界面處的折射和反射圖 52 具有包層的纖維光纖的基礎(chǔ)知識(shí)2. 光纖的分類根據(jù)光纖能傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目單模光纖多模光纖根據(jù)纖芯徑向折射率分布不同階躍折射率光纖漸變折射率光纖光纖的基礎(chǔ)知識(shí)3. 光纖的特性光纖的特性主要包括傳輸特性、物理特性、化學(xué)特性和幾何特性等。傳輸特性衰減衰減是描述光纖使光能在傳輸過(guò)程中沿著波導(dǎo)逐漸減小或消失的特性。在給定信號(hào)和工作條件下，光纖的衰減決定信號(hào)無(wú)失真?zhèn)鬏斖返淖畲缶嚯x。色散色散限制了光纖傳輸頻響的上限。色散引起的脈沖展寬限制了脈沖調(diào)制或數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中給定長(zhǎng)度光纖的最高脈沖或數(shù)據(jù)傳輸速度。光纖的基礎(chǔ)知識(shí)3. 光纖的特性光

3、纖的特性主要包括傳輸特性、物理特性、化學(xué)特性和幾何特性等。物理特性（1）彎曲性 光纖的彎曲性與光纖的機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)。 （2）抗拉強(qiáng)度 （3）硬度 （4）耐熱性 （5）熱膨脹系數(shù) （6）電絕緣性能 光纖的基礎(chǔ)知識(shí)3. 光纖的特性光纖的特性主要包括傳輸特性、物理特性、化學(xué)特性和幾何特性等?；瘜W(xué)特性（1）耐水性 （2）耐酸性幾何特性 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定光纖為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此表征光纖幾何特性的參數(shù)是纖芯直徑包層直徑纖芯的圓度包層的圓度纖芯與包層的同心度誤差強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的基本原理可以概括為：通過(guò)檢測(cè)被測(cè)對(duì)象所引起的光強(qiáng)變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)和控制。其基本結(jié)構(gòu)主要由光源、調(diào)制區(qū)、光探

4、測(cè)器三大部分組成。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的特點(diǎn)是：技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn)，所采用光纖多為光通信用多模光纖，而相關(guān)的光纖接頭和耦合器等部件，國(guó)內(nèi)已有產(chǎn)品供應(yīng)。強(qiáng)度調(diào)制分為非功能型光強(qiáng)調(diào)制功能型光強(qiáng)調(diào)制非功能型光強(qiáng)調(diào)制非功能型光強(qiáng)調(diào)制的基本原理是根據(jù)光束位移、遮擋、耦合及其他物理效應(yīng)，通過(guò)一定的方式使進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)隨外界信號(hào)變化而改變?；菊{(diào)制方式大致可分為4種類型：光束切割型光閘型松耦合型物理效應(yīng)型非功能型光強(qiáng)調(diào)制光束切割型光強(qiáng)調(diào)制圖 54 光束切割型光纖位移傳感器簡(jiǎn)圖非功能型光強(qiáng)調(diào)制遮光型光強(qiáng)調(diào)制圖 56 移動(dòng)光柵式光纖壓力傳感器非功能型光強(qiáng)調(diào)制松耦合型光強(qiáng)調(diào)制圖 58 松耦合型光強(qiáng)調(diào)制原理示意

5、圖非功能型光強(qiáng)調(diào)制物理效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制圖 511 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器示意圖功能型光強(qiáng)調(diào)制功能型光強(qiáng)調(diào)制是指光纖本身作為傳感元件，被測(cè)量通過(guò)改變傳感光纖的外形、纖芯與包層折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法對(duì)光纖傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。微彎損耗與光纖微彎光強(qiáng)調(diào)制變折射率型光強(qiáng)調(diào)制功能型光強(qiáng)調(diào)制微彎損耗與光纖微彎光強(qiáng)調(diào)制圖 512 微彎損耗強(qiáng)度調(diào)制傳感器原理圖功能型光強(qiáng)調(diào)制變折射率型光強(qiáng)調(diào)制圖 514 液體芯光纖傳感器探頭示意圖圖 515 液體光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制是光纖傳感中最重要的傳感技術(shù)，其基本的傳感機(jī)理是，外界信號(hào)（被測(cè)量）按照一定的規(guī)律使光纖中傳播的

6、光波相位發(fā)生相應(yīng)的變化，光相位的變化量即反映被測(cè)的外界量。光纖傳感技術(shù)中使用的光相位調(diào)制大體有三種類型。功能型調(diào)制這類相位調(diào)制型傳感器主要應(yīng)用了光纖材料的晶體特性和物理效應(yīng)晶體的電光效應(yīng)晶體的彈光效應(yīng)晶體的熱光效應(yīng)晶體的磁光效應(yīng)薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)調(diào)制 非功能型調(diào)制 晶體的電光效應(yīng)晶體在外加電場(chǎng)E作用下，除了固有的自然雙折射外，還會(huì)產(chǎn)生附加的雙折射，使立方晶體具有單軸晶體的性質(zhì)，變成了光學(xué)各向異性。這樣，有些單軸晶體則變?yōu)榫哂须p軸晶體的性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)實(shí)際上是一種在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的非線性極化過(guò)程。電光效應(yīng)主要有線性電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）二次電光效應(yīng)（Ke

7、rr效應(yīng)）晶體的彈（聲）光效應(yīng)各向同性材料或立方晶體，在機(jī)械應(yīng)力作用下，其性質(zhì)可以變?yōu)楣鈱W(xué)各向異性的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。彈光效應(yīng)可以有兩種寫(xiě)法其中P 和P分別為壓光系數(shù)張量和彈光系數(shù)張量，它們都是4階張量，T 和S 分別為應(yīng)力和應(yīng)變。 晶體的熱光效應(yīng)當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為熱光效應(yīng)。由于晶體的各向異性，熱光效應(yīng)的表現(xiàn)是多種多樣，假定晶體溫度變化為T(mén)，則其中b為熱光系數(shù)。 晶體的磁光效應(yīng)在磁場(chǎng)作用下，一些非旋光晶體可以變成具有旋光特性，這種現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)，其中最主要的是法拉第效應(yīng)。當(dāng)光在晶體中傳播距離為L(zhǎng)時(shí)，出射光的偏振態(tài)由兩個(gè)新的左右旋圓偏振模合成，由此引起的線偏振方向旋轉(zhuǎn)

8、角度為 其中V為范爾德（Verdet）常數(shù) .利用磁光效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)磁光調(diào)制器、磁光傳感器、光隔離器以及光環(huán)形器等。前兩者是利用磁光晶體調(diào)制特性的線性區(qū)域，而后兩者是利用該特性的飽和區(qū)域。 相位調(diào)制型光纖傳感器的特點(diǎn)（1）靈敏度高 光學(xué)中的干涉法是目前最靈敏的探測(cè)技術(shù)之一。在光纖干涉儀中，由于以光纖代替空氣光程，光纖的長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)米且不受機(jī)械限制，比普通的光學(xué)干涉儀更加靈敏。（2）幾何形狀靈活多樣 由于傳感器的敏感部分由光纖本身構(gòu)成，而光纖又十分柔軟，可繞性能好，所以敏感部分的幾何形狀可根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)成不同形式的傳感元件，如平面式、線列陣式、梯度式等。（3）工作對(duì)象廣泛 任何物理量，只要對(duì)干涉儀

9、中的光程產(chǎn)生影響，即可用相位調(diào)制型光纖傳感器探側(cè)。（4）需要特殊類型的光纖 在光纖干涉儀中，為獲得最佳干涉效應(yīng)，應(yīng)使同一模式的光疊加，且兩相干光的振動(dòng)方向必須一致，因此希望采用高雙折射的單模光纖。波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器外界信號(hào)通過(guò)選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長(zhǎng)，測(cè)量波長(zhǎng)變化即可檢測(cè)到被測(cè)量，這類調(diào)制方式稱為光波長(zhǎng)調(diào)制。目前用于光波長(zhǎng)調(diào)制的方法主要是光學(xué)選頻和濾波。F-P干涉式濾光里奧特偏振雙折射濾光各種位移式光譜選擇等外調(diào)制技術(shù)光纖光柵濾光技術(shù)光纖光柵濾光技術(shù)光纖光柵調(diào)制原理光纖光柵的分類光纖光柵傳感器布拉格光纖光柵長(zhǎng)周期光纖光柵LPFG傳感器光纖光柵調(diào)制原理光纖光柵是利用摻雜（如鍺、磷

10、等）光纖材料的光敏性。光纖的光敏性是指激光通過(guò)摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性，它是光纖光柵周期性折射率變化的根本原因。外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化。在單模光纖的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾光器或反射鏡。光纖光柵的分類1.依據(jù)光柵周期分類短周期光纖光柵長(zhǎng)周期光纖光柵2.依據(jù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分類均勻光纖光柵 啁啾光纖光柵 高斯變跡光纖光柵 升余弦變跡光纖光柵相移光纖光柵 超結(jié)構(gòu)光纖光柵 傾斜光纖光柵 特殊折射率調(diào)制的光纖光柵光纖光柵的分類3.依據(jù)形成機(jī)理分類利用光敏性形成的光纖光柵 利用彈光效應(yīng)形成的光纖光柵 4.依據(jù)材

11、料分類石英玻璃光纖光柵聚合物光纖光柵光子晶體光纖光柵布拉格光纖光柵布拉格光纖光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）周期約為幾百納米。主要特性是將某一頻段的光反射回去，形成以諧振波長(zhǎng)為中心的窄帶光學(xué)濾波器。FBG光纖光柵屬于反射型工作器件，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過(guò)傳輸光纖射入時(shí)，它與光場(chǎng)發(fā)生耦合作用，對(duì)該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個(gè)窄帶光，并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光則直接透射過(guò)去。圖 518 BRAGG（布拉格）光纖光柵布拉格光纖光柵1. FBG的傳感原理FBG是纖芯折射率沿軸向呈周期化變化，使前向傳輸?shù)哪芰狂詈系椒聪驅(qū)Ｖ?，形成反射波長(zhǎng)周期變化的尖銳的反射峰的光波導(dǎo)器

12、件。FBG傳感器測(cè)量的是FBG反射波長(zhǎng)的漂移量，當(dāng)環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵的反射波長(zhǎng)發(fā)生漂移，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)漂移量就可以獲得被測(cè)溫度、應(yīng)力等物理量。 布拉格光纖光柵2. FBG的特點(diǎn)（1）多個(gè)不同類型的傳感器可以在一條光纖上串接復(fù)用，構(gòu)成傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)多參量的準(zhǔn)分布式實(shí)時(shí)測(cè)量。（2）施工方便，潛在故障點(diǎn)大大低于傳統(tǒng)技術(shù)，可維護(hù)性強(qiáng)。（3）全光測(cè)量，在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電氣設(shè)備，不受電磁及核輻射干擾。（4）以反射光的中心波長(zhǎng)表征被測(cè)量，不受光源功率波動(dòng)、光纖微彎效應(yīng)及耦合損耗等因素的影響。（5）絕對(duì)量測(cè)量，系統(tǒng)安裝及長(zhǎng)期使用過(guò)程中無(wú)需定標(biāo)。（6）使用壽命長(zhǎng)。（7）光纖傳輸線路具有自愈功能，可靠性高。

13、但FBG在傳感應(yīng)用中也存在一定的局限性，如靈敏度不高，對(duì)單位應(yīng)力或溫度的改變所引起的波長(zhǎng)漂移較小。此外由于FBG是反射型光柵，以致FBG傳感系統(tǒng)通常需要隔離器來(lái)抑制反射光對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的干擾。長(zhǎng)周期光纖光柵長(zhǎng)周期光纖光柵（Long Period Fiber Grating, LPFG)周期通常為幾十到幾百微米。主要特性是將導(dǎo)波中某頻段的光耦合到光纖包層中損耗掉，是一種透射型光纖器件。LPFG是一種透射型光纖光柵，無(wú)后向反射，在傳感測(cè)量系統(tǒng)中不需要隔離器，測(cè)量精度較高。與FBG不同，LPFG的周期相對(duì)較長(zhǎng)，滿足相位匹配條件的是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模，這一特點(diǎn)導(dǎo)致了LPFG的諧振波長(zhǎng)和幅值對(duì)外界環(huán)

14、境的變化非常敏感，對(duì)于溫度、應(yīng)力、外界折射率等參數(shù)的變化都有很高的響應(yīng)靈敏度。 長(zhǎng)周期光纖光柵圖 519 LPFG模式耦合原理圖LPFG傳感器 應(yīng)用光纖光柵進(jìn)行傳感是近年來(lái)傳感領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，基于光纖光柵的傳感器在整個(gè)光纖傳感領(lǐng)域中的比重超過(guò)了40%。由于LPFG傳感器不僅具有傳統(tǒng)布拉格光纖光柵傳感器的絕大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，而且還具有插入損耗小、制造成本低、靈敏度高等優(yōu)于FBG傳感器的優(yōu)點(diǎn)。因此，LPFG在傳感器領(lǐng)域里有著更好的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。LPFG傳感器1.溫度傳感LPFG傳感器的溫度靈敏度不僅會(huì)受到LPFG的周期的影響，還會(huì)受到發(fā)生耦合的包層模的階數(shù)及光纖的成分等因素的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)各種參數(shù)可以制

15、造出不同溫度靈敏度的長(zhǎng)周期光纖光柵。2.應(yīng)力傳感LPFG的應(yīng)力靈敏度同樣會(huì)受到很多因素的影響，通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇參數(shù)也可以制作出各種具有不同靈敏度的LPFG。3.折射率傳感當(dāng)外界介質(zhì)的折射率改變時(shí)，包層模的有效折射率也將發(fā)生變化，從而引起LPFG諧振波長(zhǎng)的改變。4.彎曲量及扭曲量傳感當(dāng)光柵彎曲時(shí)，光柵的透射譜會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，LPFG的彎曲靈敏度可以通過(guò)諧振波長(zhǎng)的偏移和諧振峰的分裂兩種方法表現(xiàn)出來(lái)。其中波長(zhǎng)分離之間的間距將隨著曲率的增加而增加。LPFG傳感器圖 521 刻槽LPFG簡(jiǎn)圖以及實(shí)驗(yàn)裝置偏振調(diào)制型光纖傳感器在許多光學(xué)系統(tǒng)中，尤其是包含有單模光纖的系統(tǒng)中，光波的偏振特性起著重要作用。理解光

16、纖系統(tǒng)中的偏振現(xiàn)象是討論光纖偏振元件和傳感器的中心問(wèn)題。許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改變光的偏振狀態(tài)。光纖傳感器中的偏振調(diào)制器普遍采用的物理效應(yīng)有旋光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、普克爾效應(yīng)、克爾效應(yīng)及光彈效應(yīng)等。偏振調(diào)制型光纖傳感器 1. 基于旋光效應(yīng)的偏振調(diào)制 圖 522 石英晶體的旋光性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 偏振調(diào)制型光纖傳感器2. 基于磁光效應(yīng)的偏振調(diào)制 在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)上，外加磁場(chǎng)H，可以使穿過(guò)它的平面偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁致旋光效應(yīng)或法拉第效應(yīng)。 處于磁場(chǎng)中的光纖會(huì)使在光纖中傳播的偏振光發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L成正比：偏振調(diào)制型光纖傳感器2. 基于磁光

17、效應(yīng)的偏振調(diào)制圖 524 光纖電流傳感器實(shí)驗(yàn)裝置 1 激光器 2 起偏器 3 顯微物鏡 4 壓載流導(dǎo)線 5 光纖6 渥拉斯頓棱鏡 7 光探測(cè)器 8 信號(hào)處理系統(tǒng) 9 記錄儀偏振調(diào)制型光纖傳感器3. 基于普克爾效應(yīng)的偏振調(diào)制各向異性晶體中的普克爾效應(yīng)是一種很有用的電光效應(yīng)，當(dāng)電場(chǎng)施加到光正在其中傳播的各向異性晶體時(shí)，所引起的感應(yīng)雙折射正比于所加電場(chǎng)的一次方，故普克爾效應(yīng)又稱為線性電光效應(yīng)。如果在晶體兩端接上電極，兩極間加一個(gè)電場(chǎng)，通光方向平行于外加電場(chǎng)時(shí)，稱為縱向運(yùn)用，也叫縱向調(diào)制。對(duì)于KDP類晶體，這種情況下晶體折射率的變化Dn與電場(chǎng)E的關(guān)系為折射率變化引起的相位差為 同理，橫向運(yùn)用時(shí)產(chǎn)生的電

18、光效應(yīng)稱橫向電光效應(yīng)，這時(shí)，晶體中兩正交的平面偏振光由于電光效應(yīng)而產(chǎn)生的相位差為 偏振調(diào)制型光纖傳感器3. 基于普克爾效應(yīng)的偏振調(diào)制圖 525 偏振調(diào)制型光纖電壓傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器4. 基于克爾效應(yīng)的偏振調(diào)制 克爾效應(yīng)又稱平方電光效應(yīng)，是一種分子對(duì)稱性的微觀畸變，是在施加電場(chǎng)的作用下，電子云產(chǎn)生輕度的排列取向的結(jié)果，發(fā)生在一切物質(zhì)中。由感應(yīng)雙折射引起的尋常光折射率no和異常光折射率ne與外加電場(chǎng)E之間的關(guān)系為 兩光波間的相位差為 偏振調(diào)制型光纖傳感器4. 基于克爾效應(yīng)的偏振調(diào)制 圖 526 光克爾調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖 偏振調(diào)制型光纖傳感器5. 基于光彈效應(yīng)的偏振調(diào)制設(shè)單軸晶體的主折射率ne

19、對(duì)應(yīng)于MN方向上振動(dòng)光的折射率；主折射率no對(duì)應(yīng)于垂直于MN方向上的振動(dòng)光的折射率，則由光彈效應(yīng)產(chǎn)生的相位差與壓強(qiáng) p 的關(guān)系為式中，k 為 物質(zhì)的常數(shù)； none為表征光彈效應(yīng)的強(qiáng)弱；l 為光波通過(guò)材料的長(zhǎng)度。 偏振調(diào)制型光纖傳感器5. 基于光彈效應(yīng)的偏振調(diào)制圖 527 形變應(yīng)力雙折射實(shí)驗(yàn)裝置 偏振調(diào)制型光纖傳感器圖 528 偏振調(diào)制傳感探頭 5. 基于光彈效應(yīng)的偏振調(diào)制在實(shí)用的光纖壓力傳感器中，為了加大光束在光彈材料中的光路長(zhǎng)度，往往把光纖卷繞在一個(gè)小的圓柱體上，以在光纖中產(chǎn)生大的雙折射而獲得較大的線圈張力。雙折射產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立傳播的線偏振本征模。采用適當(dāng)?shù)姆治鰞x，檢測(cè)光纖中傳播光的偏振面旋

20、轉(zhuǎn)與強(qiáng)度變化相關(guān)。 頻率調(diào)制型光纖傳感器 光頻率調(diào)制，是指用被測(cè)量對(duì)光纖中傳輸?shù)墓獠l率進(jìn)行調(diào)制，頻率偏移即反映被測(cè)量的變化。目前使用的調(diào)制方法為多普勒（Doppler）法，即外界信號(hào)通過(guò)多普勒效應(yīng)對(duì)接收光纖中的光波頻率進(jìn)行調(diào)制，它是一種非功能型調(diào)制，即光纖只起傳光作用。 頻率調(diào)制型光纖傳感器 光學(xué)多普勒概念 多普勒頻移是最有代表性的一種光頻率調(diào)制。當(dāng)頻率為 f 的光入射到相對(duì)于觀察者速度為u 的運(yùn)動(dòng)物體上時(shí)，從運(yùn)動(dòng)物體反射到觀察者的光的頻率變成 f1，f1與 f 之間有如下關(guān)系： 式中，c為真空中的光速；q 為光源至觀察者方向與運(yùn)動(dòng)方向的夾角。多普勒頻移為頻率調(diào)制型光纖傳感器 光纖多普勒系統(tǒng)

21、 圖 530 激光多普勒光纖測(cè)速系統(tǒng) 光子晶體光纖傳感器 光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）是一種新型光纖，其概念最早由Russell等人在1992年提出，在它的包層區(qū)域有許多平行于光纖軸向的微孔，是一種帶有線缺陷的二維光子晶體。 光子晶體光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)與制備光子晶體光纖的特性光子晶體光纖傳感器光子晶體光子晶體的概念 “光子晶體”是一個(gè)新的物理概念，是與電子晶體相比較而提出的，可看作是電子晶體在光學(xué)領(lǐng)域的對(duì)應(yīng)概態(tài)。自然晶體（如半導(dǎo)體）中的電子由于受到晶格的周期性勢(shì)場(chǎng)散射，部分波段會(huì)因破壞性干涉而形成帶隙，導(dǎo)致電子的能量呈帶狀分布，從而形成電子能帶（Elec

22、tronic Band）。如果將具有不同折射率（介電系數(shù)）的介質(zhì)材料按照自然晶體的周期結(jié)構(gòu)排布，類似的現(xiàn)象也存在于光子系統(tǒng)中。光子晶體圖 532 鉆有許多圓柱形空氣孔的玻璃的截面圖 光子晶體的概念光子晶體光子晶體的特征光子晶體最根本特征是頻率處于禁帶范圍內(nèi)的光子都不能在光子晶體中傳播。 光子晶體的另一個(gè)主要特征是光子局域態(tài)，即光子晶體引入雜質(zhì)或缺陷（主要分為線缺陷和點(diǎn)缺陷）時(shí)，與缺陷態(tài)頻率符合的光子會(huì)被局限在缺陷位置，一旦偏離缺陷位置能量將迅速衰減。光子晶體還具有負(fù)折射效應(yīng)。 光子晶體圖 533 一維、二維、三維光子晶體光子帶隙示意圖 圖 534 光子晶體結(jié)構(gòu)電鏡圖 光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)與制備圖 535 全內(nèi)反射光子晶體光纖結(jié)構(gòu)示意圖 光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)與制備1.蜂窩(Honeycomb) 狀PBG光纖 圖 537 蜂窩型PBG光纖 光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)與制備2.空心(Hollow-core) PBG光纖 圖 538 空心(Hollow-core) PBG光纖結(jié)構(gòu)示