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。