微結(jié)構(gòu)光纖分類研究

微結(jié)構(gòu)光纖分類研究

0光纖光柵傳感器新傳感器的設(shè)計對于傳感器行業(yè)的科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。新傳感器的開發(fā)結(jié)構(gòu)新穎且功能多樣。一直是科學(xué)研究人員和員工的目標(biāo)。1970年低損耗光纖的研制成功,極大地改變了傳感器的設(shè)計方式,并以其具有的高靈敏度、寬頻帶、抗電磁干擾、柔韌靈巧、易埋植和貼敷等優(yōu)良特性,使光纖傳感器迅速成為傳感器家族的新貴。這種低損耗光纖由纖芯、包層、涂覆層組成,因其結(jié)構(gòu)簡單,一般稱之為常規(guī)光纖(GeneralOpticalFiber,GOF)。GOF的特點(diǎn)是纖芯折射率高于包層折射率,光波以全內(nèi)反射方式在光纖中傳輸。在GOF中,通過物理的或化學(xué)的方式,可以沿纖芯軸向引入周期性的結(jié)構(gòu)變化,即光纖光柵(GeneralOpticalFiberGrating,GOFG)。自1989年紫外側(cè)寫光纖光柵技術(shù)發(fā)明以來,布喇格、長周期等諸多類型的光纖光柵相繼寫制成功,以光纖光柵為基質(zhì)的傳感器的設(shè)計和研制,迅速成為新型光纖傳感器的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前,GOF的結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變革,人們憑借超凡的想象力,在GOF中引入了多種微結(jié)構(gòu)。1996年出現(xiàn)的帶有空氣孔結(jié)構(gòu)的光纖,使光纖的微結(jié)構(gòu)化成為可能。微結(jié)構(gòu)光纖(MicrostructureOpticalFiber,MOF)是一種新型波導(dǎo),又稱多孔光纖(HoleyFiber,HF)或光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber,PCF)。MOF沿軸向均勻排列著微孔,端面存在周期性的二維結(jié)構(gòu)。與GOF相比,由于引進(jìn)了微結(jié)構(gòu),使MOF具有獨(dú)特的光學(xué)特性:如極寬單模傳輸、高非線性、大模場面積、可控色散等。與GOF光柵相類似,采用紫外側(cè)寫技術(shù)或CO2熱激技術(shù),也可以在MOF中寫制光柵,即微結(jié)構(gòu)光纖光柵(MicrostructureOpticalFiberGrating,MOFG)。布喇格和長周期微結(jié)構(gòu)光纖光柵的首次寫制完成于1999年,MOFG具有比GOFG更為豐富的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。改變MOF中的微孔排列、大小以及占空比,雙芯或多芯設(shè)計,或者將特殊介質(zhì)載入微孔,均可改變微結(jié)構(gòu)光纖及其光柵的光學(xué)性質(zhì),獲得優(yōu)于GOF及GOFG的傳感特性。因此,微結(jié)構(gòu)光纖及其光柵的出現(xiàn),為新型光纖傳感器的設(shè)計與研制提供了廣闊的創(chuàng)造空間。1微結(jié)構(gòu)光纖的分類根據(jù)導(dǎo)光機(jī)理,微孔分布,介質(zhì)載入,纖芯數(shù)量以及對稱性等因素,微結(jié)構(gòu)光纖可有多種分類方式。盡管現(xiàn)有文獻(xiàn)中已有一些MOF的分類報道,但還不很系統(tǒng)。從對MOF傳感器設(shè)計的需求考慮,作者在本文中給出MOF如下幾種典型分類。1.1taolinerreflining、光子帶隙型mof結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光機(jī)理根據(jù)導(dǎo)光機(jī)理的不同,MOF可分為全內(nèi)反射型(TotalInnerReflection:TIR)與光子帶隙型(PhotonicBandgap∶PB)MOF,其結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光機(jī)理如圖1和2所示。1.2般大空孔面向gof的mof根據(jù)微孔尺寸與傳輸光波長的大小比較,MOF可分為遠(yuǎn)大于傳輸光波長(幾十微米)的大空孔(LargeAirHole)與接近(1～3微米)或小于傳輸光波長的小空孔(SmallAirHole)MOF。如圖3(a)為一般型大空孔MOF橫截面示意圖。其中,MOF包層有若干大空氣孔,氣孔在包層中構(gòu)成環(huán)帶區(qū)域,形成了外硅層、中間空氣硅環(huán)帶區(qū)和內(nèi)硅層。因此,大空孔MOF的包層要比GOF的純硅包層更為復(fù)雜,其實(shí)例之一為柚子型MOF,如圖3(b)所示。典型的小空孔MOF如圖4(a)～(b)所示。1.3mof結(jié)構(gòu)的分類根據(jù)微孔分布的均勻程度,MOF可分為有序(OrdinalHole)型、無序型(ChaoticHole)以及局域有序(PortialOrdinalHole)型MOF。典型的有序型MOF如圖5(a)-(b)所示,典型的無序型及局域有序型MOF如圖6(a)-(b)所示。1.4頂格朗日自適應(yīng)行為體系上的多芯形多芯型mof根據(jù)纖芯數(shù)量的多少,MOF可分為單芯(SingleCore)、雙芯(DoubleCore)及多芯型(Multi-Core)MOF,其典型實(shí)例如圖7(a)～(d)所示。1.5種纖芯形狀的mof根據(jù)纖芯形狀的不同,可有諸如橢圓、三角、正方、長方、菱形、六角等多種纖芯形狀的MOF;根據(jù)微孔形狀的不同,可有諸如橢圓、三角、矩形、菱形、柚子、梅花等多種微孔形狀的MOF;根據(jù)微孔分布的不同,亦可有諸如蜂窩、正方、六角、扇形、螺旋、月牙、分層等多種微孔分布類型的MOF。2基于mog與mofg的傳感頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與技術(shù)傳感器的設(shè)計,涉及傳感頭、信號解調(diào)、整形以及顯示等方法與技術(shù)的實(shí)現(xiàn),本文僅就基于MOG和MOFG的傳感頭結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析和研究,同時提出一些具體的設(shè)計方法。2.1制作mof的材料具體方法如下:1、采用硅材料制作MOF,但纖芯摻雜離子(如鍺、硼等);2、采用非硅材料(如鎵、鑭、硫化物等)制作MOF;3、采用有機(jī)材料(如聚合物PMMA等)制作MOF;4、通過鍍膜、涂敷金屬或非金屬材料等處理MOF表面,如圖8所示。2.2微孔分布的變化具體方法如下:1、微孔形狀的變化:如橢圓形,三角形,正方形,菱形,柚子形等;2、微孔分布的變化:微孔的層數(shù)、數(shù)量(如占空比d/Λ)的變化,微孔分布形狀的變化(如六角形、扇形、梅花形、螺旋形、月牙形等),微孔分布的對稱變化等;如圖9所示。3、纖芯尺寸的變化:如芯徑d的增減,形狀的改變(圓形、橢圓形、三角形、六角、菱形等);空心與實(shí)心等;4、MOF形狀的變化:采用機(jī)械的、化學(xué)的或光學(xué)的方法,改變MOF的表面形狀(如錐形,紡錘形,酒瓶形,半圓形、麻花形等)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如在纖芯或包層上構(gòu)建不同類型的光柵),如圖10所示。2.3傳感器件傳輸特性選擇特殊介質(zhì)(如液晶,有機(jī)物及金屬線等)填充于MOF微孔之中,可以有效地改變MOF的光波傳輸特性,達(dá)到新型傳感器件設(shè)計的目的。具體方法如下:1、對稱填充方式:相對于纖芯對稱填充,如“一”字型,“十”字型等;2、非對稱填充方式:相對于纖芯非對稱填充,如月牙型,半圓型扇型等;3、局域填充方式:特指在MOF的某些關(guān)鍵部位填充介質(zhì)的方式,如在錐形束腰處填充等。2.4成柵位置的確定在微結(jié)構(gòu)光纖中寫入或刻制周期性的結(jié)構(gòu)—光柵,可以對特定波段的光波進(jìn)行濾波,從而實(shí)現(xiàn)對某一特殊波段光波的透射或反射。根據(jù)實(shí)際需要,成柵位置有以下幾種情況:1、纖芯位置:由于纖芯一般是由具有摻雜的光敏離子制作而成,因此可利用紫外曝光法在微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯中寫入布喇格、長周期以及其他類型的光柵。2、包層位置:利用CO2熱激成柵法,電弧感應(yīng)法,機(jī)械壓制法,腐蝕刻槽法等,可以在微結(jié)構(gòu)光纖的包層上刻制長周期及特種類型的光柵。3mof傳感器根據(jù)上述傳感器的構(gòu)設(shè)計方法,再結(jié)合MOF的具體結(jié)構(gòu),可以設(shè)計多種類型的MOF傳感器。下面提出并介紹幾種典型的MOF和MOFG傳感器設(shè)計及其實(shí)現(xiàn)方法。3.1微結(jié)構(gòu)光纖傳感器的設(shè)計3.1.1下紡織品中聚合物的傳感特性改變MOF的表面形狀使其成為錐形如圖10(a)所示,在腰錐處填充某種介質(zhì),可設(shè)計MOF功率衰減型傳感器,這種傳感器可用于感測流體(液體、氣體)的折射率或周圍環(huán)境溫度。一種典型的MOF折射率/溫度傳感器由Eggleton等人提出并實(shí)現(xiàn)。圖11是錐形MOF傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖。MOF束腰中的大模場與周圍空氣孔的相互作用,導(dǎo)致了纖芯模對空氣孔包層界面的折射率改變非常敏感。調(diào)節(jié)溫度改變聚合物的折射率,能夠影響光纖中光的傳播機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)傳感功能。圖12給出了該傳感器的傳感特性關(guān)系曲線,其衰減由30dB到0.8dB變化,在溫度最低處插入損耗最大。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)波長在30nm(1530～1560nm)的范圍內(nèi)改變時,傳感器的功率衰減改變大約是0.3dB。當(dāng)電壓為2V時,最大的功率損耗是375mW。由圖可見,理論模擬與實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果吻合得比較好。盡管MOF被拉錐成很小的直徑,但該傳感器卻很容易進(jìn)行低損耗封裝。3.1.2mof結(jié)構(gòu)原理根據(jù)Beer-Lambert定理,基于MOF空氣孔中的瞬逝場與氣體吸收相互作用規(guī)律,MOF中氣體濃度與光強(qiáng)度衰減關(guān)系可表示為:I(λ)=I0(λ)exp[?rαm(λ)lC](1)Ι(λ)=Ι0(λ)exp[-rαm(λ)lC](1)式中αm(λ)是氣體的吸收系數(shù),l是微結(jié)構(gòu)光纖的長度,C是氣體的濃度,r是相對靈敏度。定義r=(nr/ne)f,其中nr和ne分別是氣體的折射率和微結(jié)構(gòu)光纖中傳導(dǎo)模式的有效折射率,f是在空氣孔中能量的分布。MOF氣體傳感特性主要由相對靈敏度r來表征,即可通過合理設(shè)計微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu),得到較高r值的MOF。因此,通過合理設(shè)計MOF結(jié)構(gòu),可以增大其光場與待測氣體的相互作用,從而提高M(jìn)OF感測氣體的靈敏度。我們采用全矢量有限單元法研究了三角形結(jié)構(gòu)的MOF相對靈敏度。MOF的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:空氣孔間距Λ=3.2μm,空氣孔直徑為d。針對三種不同的占空比(0.48、0.70和0.90),我們計算了空氣孔大小不同情況下的相對靈敏度與波長的變化關(guān)系,其結(jié)果如圖13所示。根據(jù)上述MOF傳感模型及理論模擬結(jié)果,張偉剛等設(shè)計出一種表面凹陷型MOF傳感器,可用于流體(液體或氣體)傳感,其傳感結(jié)構(gòu)如圖14所示。利用表面處理技術(shù)(如腐蝕、拋磨等),可以加工制作上述傳感頭。進(jìn)一步對該結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,有望實(shí)現(xiàn)對流體(氣體及液體)特殊成分的探測。由于原先完整、封閉的MOF包層結(jié)構(gòu)被破壞,故可往包層中注入對某一波段的光波具有敏感性的待測流體,利用波長調(diào)諧與功率解調(diào)相結(jié)合的方法,從接收器可獲得載有待測流體信息的光譜或功率譜。進(jìn)而,再結(jié)合待測流體自身的特性,從光譜或功率譜反推出待測流體的成分、濃度等重要信息。3.1.3帶隙型微結(jié)構(gòu)光纖缺陷模分布圖劉劍飛等采用矢量平面波展開法與矢量有限元法,對可調(diào)光子帶隙光纖的泄漏損耗特性進(jìn)行了理論研究。圖15是光子帶隙邊界的有效折射率和帶隙型微結(jié)構(gòu)光纖缺陷模分布圖。圖16給出了基模的泄漏損耗和有效折射率與填充材料折射率的關(guān)系曲線。我們的研究表明:通過向折射率引導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖的空孔填充可調(diào)的高折射率材料,能夠獲得帶隙可調(diào)的光子帶隙光纖。并且,這種可調(diào)光子帶隙光纖的光子帶隙效應(yīng),其泄漏損耗與填充材料的折射率具有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。因此,具有這種新特性的微結(jié)構(gòu)光纖,可以用于設(shè)計并研制基于光功率損耗的新型微結(jié)構(gòu)光纖傳感器。3.1.4種傳感器原理利用多芯MOF,可以設(shè)計MOF多維傳感器。圖17是三芯MOF傳感結(jié)構(gòu)及參數(shù)計算示意圖,其中圖示出了傳感參數(shù)關(guān)系及坐標(biāo)選取,這種傳感器由Blanchard等人提出并實(shí)現(xiàn)。該三芯MOF彎曲傳感器參數(shù)關(guān)系為Ψ=3d2L(2)Ψ=3d2L(2)式中d為MOF自由端的位移,L是懸臂梁的長度。于是,位移與相位差之間的關(guān)系為Δφ=3.42πdδλL(3)Δφ=3.42πdδλL(3)式中δ為兩個芯之間距,λ為傳輸光的波長。圖18為三芯MOF彎曲傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,圖19給出了三芯MOF彎曲傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3.1.5mof結(jié)構(gòu)原理最近,DavidMonzón-Hernández等人設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種MOF高溫傳感器,其傳感結(jié)構(gòu)如圖20所示,ρW、L0分別是錐形束腰的直徑和長度。該光纖屬于大模面積的MOF,纖芯為直徑11μm的實(shí)心硅,包層為五層微孔且呈六角形分布。其微孔平均直徑為2.7μm,微孔平均間距為5.45μm,外直徑為125μm。在這種錐形MOF結(jié)構(gòu)中,因多個模與實(shí)心的錐形束腰相互作用,導(dǎo)致光波傳輸譜具有多個干涉峰出現(xiàn),圖21展示了幾種不同參數(shù)ρW、L0值的輸出光譜圖。圖22給出了不同溫度下LED中心波長分別為1290nm和1520nm時的輸出光譜圖。圖23是圖22(a)中最高尖峰的溫度傳感實(shí)驗(yàn)曲線。由圖可見,該傳感器在200～1000℃高溫區(qū)間具有線性傳感特性,預(yù)期有廣泛的應(yīng)用范圍。3.1.6雙折射傳感技術(shù)將MOF進(jìn)行某種介質(zhì)的對稱與非對稱填充,可以改變MOF的雙折射特性,從而設(shè)計并研制出MOF雙折射傳感器。高雙折射光纖的兩個重要參量為相雙折射B和模雙折射G,兩參量定義如下式所示:B=Δn=λ2π(βx?βy)(4)G=Δn?λdΔndλ=B?λdBdλ(5)B=Δn=λ2π(βx-βy)(4)G=Δn-λdΔndλ=B-λdBdλ(5)式中Δn為折射率差,βx和βy和分別表示MOF基模的兩個正交極化模的傳播常數(shù),它們可以利用帶有邊界條件的全矢量有限元法求得。CharlesKerbage等人對柚子型MOF的空孔不同部位進(jìn)行聚合物填充,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了三種MOF雙折射傳感器。該傳感器的填充方式及其傳感特性如圖24所示。張春書等人采用全矢量有限單元方法,從理論上分析了側(cè)向壓力對高雙折射微結(jié)構(gòu)光纖雙折射特性的影響。研究結(jié)果表明,與其他報道中采用流體靜壓力來研究微結(jié)構(gòu)光纖的雙折射變化有所不同,在波長600～1700nm范圍內(nèi),沿微結(jié)構(gòu)光纖慢軸和快軸的側(cè)向壓力所引起的光纖相雙折射和模雙折射的變化并不一致。而且,沿微結(jié)構(gòu)光纖的慢軸和快軸的側(cè)向壓力對微結(jié)構(gòu)光纖的相雙折射壓力靈敏度和模雙折射壓力靈敏度的影響也不相同。圖25給出了x、y方向分別施加300N壓力時光纖橫截面上Δn的變化情況。微結(jié)構(gòu)光纖的相雙折射的壓力靈敏度隨波長的變化可根據(jù)以下關(guān)系式求得:dBdf=Bf?Bf=0f(6)dBdf=Bf-Bf=0f(6)式中f表示壓力。圖26給出了x方向壓力下dB/dfx、dB/dfy隨波長的變化規(guī)律。并且,當(dāng)波長為1.48μm時,dB/dfx達(dá)到極值。最近,作者等在對側(cè)向壓力作用下的柚子型微結(jié)構(gòu)光纖傳播常數(shù)研究過程有了新發(fā)現(xiàn),即在不同方向側(cè)向壓力作用下,柚子型微結(jié)構(gòu)光纖的傳播常數(shù)變化不一致。研究表明:柚子型微結(jié)構(gòu)光纖在x方向受到側(cè)向應(yīng)力作用時,隨著側(cè)向壓力的不斷增大,第7階模式的傳播常數(shù)近似線性逐漸變小,而第8階模式的傳播常數(shù)近似線性變大;在y方向受到側(cè)向應(yīng)力作用時,隨著側(cè)向壓力的不斷增大,第7和第8階模式的傳播常數(shù)都近似線性變大,如圖27所示。該研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)二維應(yīng)力或位移傳感提供了一種測量方法,對微結(jié)構(gòu)光纖多維傳感器的設(shè)計也具有重要的指導(dǎo)意義。3.2微結(jié)構(gòu)光纖傳感器的設(shè)計3.2.1bragg溫度傳感特性作者等利用OFS公司生產(chǎn)的柚子型MOF并對其載氫敏化處理后,采用相位掩模的紫外曝光法在摻鍺纖芯的柚子型MOF上成功寫制了布喇格(Bragg)光柵,該光柵具有多個反射峰。通過理論模擬分析與實(shí)驗(yàn)傳感測量,我們研究了該光柵的多個反射峰的溫度和應(yīng)變傳感特性,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了光柵隨溫度和應(yīng)變的變化關(guān)系。圖28是柚子型MOF橫截面圖及有限元計算模型。圖29給出了柚子型BraggMOFG反射光譜圖。其中,三個諧振波長峰值分別為λA=1556.87nm、λB=1554.78nm和λc=1554.04nm。該柚子型BraggMOFG溫度傳感特性可表示為Δλbλb=λb(T)?λ(T0)λp=ηT1ΔT+ηT2ΔT2(7)Δλbλb=λb(Τ)-λ(Τ0)λp=ηΤ1ΔΤ+ηΤ2ΔΤ2(7)式中ηT1=(1/λb)×(dλb/λdT),ηT2=(1/2λb)×(dλ2bb2/λdT2),分別表示光柵的一階和二階溫度靈敏度系數(shù)?？梢?溫度傳感具有二次曲線特征。而應(yīng)變傳感則具有準(zhǔn)線性特征,其關(guān)系式可表示為Δλbλb=χ′ε(8)Δλbλb=χ′ε(8)式中χ′表示MOFG的基模與包層模耦合時反射峰波長變化與應(yīng)變關(guān)系系數(shù)。圖30和圖31分別給出了柚子型BraggMOFG三個楷振波長與溫度、波長與應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。3.2.2長周期mofg傳感器的基礎(chǔ)長周期MOFG是包含著大尺寸(幾百微米)沿著纖芯的周期性微擾的光柵。與布喇格MOFG相比,從傳感器設(shè)計與研制前景考慮,長周期MOFG傳感器的優(yōu)勢是對溫度、應(yīng)變和外加的折射率和彎曲非常敏感,而其對于各種被測量的敏感性則依賴于纖芯和包層的色散特性。目前,人們已能夠利用多種方法獲得長周期MOFG,如CO2熱激成柵法,電弧感應(yīng)法,機(jī)械壓制法,腐蝕刻槽法等。3.2.2.空氣硅包層的表面溫度傳感實(shí)驗(yàn)布喇格型MOF傳感器的傳感范圍較窄,因而其實(shí)際應(yīng)用受到一定程度的限制,利用長周期MOFG可以設(shè)計寬帶溫度MOF傳感器。2000年,Eggleton等人在如圖32(a)所示的空氣硅包層MOF上(摻鍺纖芯),首先寫入周期為550的長周期MOFG;然后,在MOF的包層氣孔中注入丙烯酸聚合物(室溫下其折射率略大于硅玻璃折射率),通過紫外光照射加速聚合物的凝固;最后,對這種空孔填充后的長周期MOFG進(jìn)行溫度傳感實(shí)驗(yàn),其結(jié)果如圖32(b)所示。由圖可見,在25～120℃溫度區(qū)間,其諧振波長漂移量超過150nm,是GOF漂移量的十幾倍。由于這種寬帶長周期溫度MOF傳感器利用了聚合物折射率隨溫度增加而減小的特性,因此可用來研制大范圍寬帶調(diào)諧濾波器。3.2.2.嵌入長周期光柵的傳感檢測2004年,Dobb等人在BlazePhotonics提供的無限單模傳輸MOF(純硅纖芯和包層:芯徑12μm,周圍環(huán)繞54個空氣孔,相鄰孔間距8μm)上,用電弧感應(yīng)技術(shù)寫制了長周期MOFG。在無張力情況下,該光柵的周期為500μm,長度為25.5mm,其透射譜如圖33所示。圖中包括兩個透射峰,分別位于1239nm和1409nm處。研究表明:這種長周期光柵具有溫度不敏感特性,可用于溫度不敏感的彎曲及應(yīng)變MOFG傳感器的設(shè)計。對長周期MOFG彎曲靈敏度的測量,是根據(jù)鉗拉兩端固定的MOFG中間位置,通過位移平臺向內(nèi)的移動來實(shí)現(xiàn)MOFG的彎曲。當(dāng)長周期MOFG正處于固定端的中間位置時,產(chǎn)生的曲率R可表示為R=2dd2+L2(9)R=2dd2+L2(9)式中d是彎曲的撓度位移,L是光纖鉗制點(diǎn)距離的一半。圖34給出了曲率0～1.81m-1范圍變化時的響應(yīng)光譜圖。由圖可見,當(dāng)曲率增大時,中心波長向長波漂移。其中,嵌入圖為該光柵透射波長隨曲率變化的傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)曲率為1m-1時,彎曲靈敏度為dλ/dR=3.7±0.1nm·m。應(yīng)變靈敏度的測量是通過將長周期MOFG的一端固定,另一端隨著位移平臺移動產(chǎn)生應(yīng)變,觀察1409nm透射峰的漂移而實(shí)現(xiàn)的。圖35給出了應(yīng)變0～1.98mε范圍變化時的響應(yīng)光譜圖。其中,嵌入圖為該光柵透射波長隨應(yīng)變變化的傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果。應(yīng)變靈敏度為dλ/dσ=-2.04±0.12pm/με。靈敏度為負(fù)值表明,隨著應(yīng)變的增加,其透射波長向短波方向漂移。3.2.2.多通道m(xù)ofg空孔定位及透射光譜2002年,Kerbagea等人設(shè)計了一種柚子型MOF介質(zhì)(高折射率或低折射率)空孔定位移動器件,通過改變溫度或加載電壓來控制介質(zhì)與光柵的位置,使模場與介質(zhì)有效地相互作用,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)諧長周期MOFG中心波長的漂移及幅度大小之目的。圖36給出了柚子型長周期MOFG介質(zhì)空孔定位及透射光譜。圖36(a)顯示介質(zhì)(高折射率流體)與光柵有一定距離(5cm),加熱裝置也遠(yuǎn)離光柵位置。加載電壓產(chǎn)生的熱流使空孔中的空氣膨脹,推動高折射率流體移向光柵產(chǎn)生交疊,使高階模折射進(jìn)入流體之中,導(dǎo)致光功率損耗。另一方面,由于流體與光柵區(qū)域交疊,導(dǎo)致耦合系數(shù)下降。圖36(b)顯示,長周期MOFG除了中心波長幅度迅速衰減之外,同時也向長波方向有些漂移。圖37給出了柚子型長周期MOFG低折射率流體空孔定位及透射光譜。其中,加熱裝置靠近光柵位置,且介質(zhì)(低折射率流體)位置與光柵接近平行。這時,加載電壓產(chǎn)生熱流,降低流體的折射率值,導(dǎo)致長周期MOFG的中心波長產(chǎn)生漂移,但幅度衰減較慢。4微結(jié)構(gòu)光纖光柵由上述分析可知,微結(jié)構(gòu)光纖是設(shè)計、研制微結(jié)構(gòu)光纖傳感器的物質(zhì)基礎(chǔ),而微結(jié)構(gòu)光纖光柵則進(jìn)一步豐富了光纖的結(jié)構(gòu)和性能。因此,加強(qiáng)對微結(jié)構(gòu)光纖及其光柵的結(jié)構(gòu)分析和研究,對設(shè)計并研制新型微結(jié)構(gòu)光纖及其光柵傳感器意義重大,也是光纖技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。4.1非對稱非均勻多芯設(shè)計的展望對于微結(jié)構(gòu)光纖的未來發(fā)展,作者認(rèn)為下述三種類型應(yīng)予特別關(guān)注:1、多芯微結(jié)構(gòu)光纖:目前已有四芯微結(jié)構(gòu)光纖的報道。此類微結(jié)構(gòu)光纖比較適用于干涉型或損耗型傳感器的設(shè)計,可用于多維、多參數(shù)及流體(氣體、液體)的感測。目前多芯的設(shè)計大多采用對稱或均勻分布的方式,而且各個芯的性質(zhì)相同。對此,作者指出:今后亦可根據(jù)不同需求,探索非對稱或非均勻分布的多芯設(shè)計,而且各個芯的性質(zhì)亦可有所不同(如幾何形狀、折射率、電磁性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)以及光敏性等),以期獲得結(jié)構(gòu)及性能更為豐富的多芯微結(jié)構(gòu)光纖。2、高雙折射微結(jié)構(gòu)光纖:可采用預(yù)填充及后填充等方式設(shè)計實(shí)現(xiàn)。預(yù)填充是指在微結(jié)構(gòu)光纖拉制之前,預(yù)先在光纖橫截面上的特定位置以“填充”的方式增大或降低該區(qū)域的折射率。后填充是指在微結(jié)構(gòu)光纖拉制之后,根據(jù)需要在光纖橫截面上的特定位置以某種介質(zhì)加以“填充”來增大或降低該區(qū)域的折射率。作者指出:應(yīng)尋求特殊的“填充”介質(zhì),進(jìn)一步提高微結(jié)構(gòu)光纖的雙折射效應(yīng),以有效地控制微結(jié)構(gòu)光纖的傳播常數(shù)。3、帶隙型微結(jié)構(gòu)光纖:在已出現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)光纖當(dāng)中,光子帶隙光纖是非常引人矚目的一種。該光纖具有光子帶隙,這種能帶結(jié)構(gòu),因此具有與傳統(tǒng)光纖完全不同的傳導(dǎo)機(jī)制,顛覆了傳統(tǒng)觀念。通過在包層微孔中填充高于纖芯折射率的介質(zhì),或者在微孔中置放特殊的物質(zhì),均可獲得光子帶隙。作者指出:探索并篩選適宜的介質(zhì),利用介質(zhì)的力學(xué)、熱學(xué)、電磁以及光敏特性等,有望更好地實(shí)現(xiàn)對光子帶隙的主動或被動調(diào)諧。4.2改進(jìn)微結(jié)構(gòu)光纖制作工藝總體而言,與傳統(tǒng)的光纖光柵相比,微結(jié)構(gòu)光纖光柵在寫制手段上并無大的突破,但仍呈現(xiàn)出一些令人矚目的新動向和新思路:1、尋找光敏性材料,直接寫制MOFG:微結(jié)構(gòu)光纖僅通過一種拉制材料(玻璃或聚合物)即可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。若該材料本身對紫外光具有光敏性,則光纖拉制時無須對纖芯摻雜即可直接寫入光柵。2005年Dobb等人報道了由一種光