文摘

光纤的出现基于空气孔沿着全部开辟了新的方向在解决各种属性相关的传感、包括光纤传感器的温度/应变的挑战。本文着眼于测量挑战与温度和压力有关,检查潜在的独特功能结构纤维和不使用光栅设计开放,并简要描述了一些在传统光纤光栅技术当前的研究方向。

1。介绍

光纤传感器的投影市场规模普遍预计将超过2014年的16亿美元,高于2007年的2.35亿美元(1]。光栅技术越来越普遍的在这个市场找到应用程序从生物医学,化学,和化妆品2- - - - - -6)结构健康监测(SHM)建筑物、车辆、飞机、桥梁、铁路、和风车(7- - - - - -19]。两个重要特性控制光栅传感应用的标准:温度和应变/压力敏感性,两者都是影响光纤的类型和性能参数不仅光栅本身的纤维的类型和所需的包装。

传统上,交织在一起的温度和应变响应的分离已经完成使用参考光栅元素校准一个或其他参数。然而,创新新的纤维设计,主要集中在结构的纤维技术(20.),提供全新的解决方案可能绕过二级参考光栅的必要性。的能力调整孔分布一般允许一个无与伦比的灵活性在纤维设计和参数控制,不仅温度和应变,但许多其他人。例如,通过调节光子晶体的晶格参数适当纤维,独特的复合系统属性提供多种功能,如双色散补偿和拉曼放大21),是有可能的。通过控制孔分布和大小、机械(包括声和压力反应)属性改变以及更多的应变光学系数等基本性质。插入材料给更大范围调整复合系统属性等的有效热光系数为零,零的理想温度光栅(22,23]。最近演示microfilling结构化光纤和三个分离的激光染料在纤维的核心(24揭示了结构纤维的全部潜力,特别是把投机的前景“lab-in-a-fibre”[25)更接近现实。光栅技术将不可避免地导致这样的功能时,它将,如上所述,也有利于分离与光栅的温度测量,最直接的地方使用结构化的光纤光栅实际进展可能会被看到。

2。结构化的光学纤维和隐失场

图1说明了三个现代传感社区感兴趣的例子:第一种是单模光子晶体光纤”(27](所谓的周期性晶格虽然明显观察到短wavelengths-see衍射的影响,例如,(28,29日]);第二个是一个高度非线性光子晶体光纤和光敏核心周围的三角形硅支持一个不同寻常的额外的模式,而后者是一个菲涅耳纤维(30.),传播是衍射峰强度和模式本地化孔中心非常好。也许更有趣的是,光部分集中在输出(30.- - - - - -32),小相区板可以制作33]。

利用结构的一个重要的考虑在这些纤维是穿透深度,和重叠积分,孔内的隐失场。在传统的光子晶体光纤(结构化的纤维与一系列定期的孔确定包覆而不一定有明显的衍射效应的传感器探测波长),隐失场重叠的洞是一个关键因素的有效交互的长度。一个典型的“无休止单模”纤维通常有一个重叠积分太低是重要的使用空气分数往往是增加。一般来说,几个百分点重叠在1500 nm变得有用;这个数字增加到红色和减少对蓝色。值得注意的是,大部分的隐失场位于第一个60 - 100纳米的表面通常是不承认,因此探测领域高度集中接近近场制度,使它的理想工具探索界面效应也是一个潜在的问题问题当比较大量引用。如此规模的有时似乎没有什么可检测与硅表面在自由空间有时会拿起长交互长度使任何依赖于大量样品的分析,或者短路径长度,交互。因此,虽然这不是一个问题对许多物种,对另一些人来说,尤其是那些与biodiagnostics表面相互作用是意料之中,这个问题可能是问题和机会。例如,为了突出这一点,一个重叠的几个百分点足以执行多种传感和设备实验。图2显示了一个双向add-drop全纤维乙炔气参比电池用光子晶体光纤,充满了低压乙炔,百分之几场重叠与第一环孔的近红外(26]。纤维的横截面显示的比较图1(一)。在这种情况下,没有可观察到的这些测量和散装的区别,与预期一致,乙炔并不与玻璃表面反应。另一方面,一个完全相同的纤维也被用来制造第一次直接观察卟啉和硅之间的电荷转移5),分子界面效应没有被观察到。添加效果产生一个大的近红外波段(图3),需要考虑如果卟啉是用于biodiagnostics操作在这个地区,例如。

解决方案编写光栅引入光敏核心,如第二个示例见图1 (b)。这通常是通过准备一个标准的光学粗加工使用MCVD然后蚀刻出核心之前(通常是接近1毫米直径)插入到结构光纤预制棒。虽然这个过程清楚地介绍了标准的核心,使光敏光栅写简单,单一材料纤维的好处是失去的复杂性进一步约束远离洞通过一步索引需要处理。这一问题在一定程度上可以通过光敏处理地区比有效模场直径和小得多,因此,这种纤维通常较小的核心。

数值模拟的菲涅耳纤维减少孔尺寸在中间显示高度本地化的峰值强度在洞内可能一旦亚波长尺寸达到[34]。这个本地化时所需的阻抗匹配两种材料之间的界面不同的折射率和下标一侧的电场,,鳞片的平方的比值指数对比,(成比例的。指数对比越高影响越显著硅光子晶体波导这种形式非常敏感的纳米颗粒检测的基础,若芯片(35- - - - - -38]。图4显示了菲涅耳仿真纤维。在任何情况下,光学本地化的洞是观察实验在大字号归因于菲涅耳的衍射特性纤维(30.- - - - - -32]。其他工作也支持非常紧密的光学本地化在硅结构光子晶体光纤使用亚波长孔(39]。所有这些形式的光学本地化现象有很大提高灵敏度的潜力在许多应用程序中,需要小卷和高交互与光学领域,如biodiagnostics应用程序。例如,光的本地化是中央发展金属自由光学显微镜在远近字段(40]。

图5显示了近场的实验观察到局部的菲涅耳内光纤维(图1 (c))与中央空调孔小于波长的有效模式。也观察到环模式与硅环中央孔周围地区,如预期的模拟。有证据表明,这两个局部传播领域(模式)影响每80米在这个纤维样品。本地化的中央空调洞内的隐失场很难观察自分辨率衍射极限。所谓的“光子带隙”纤维相比,这种类型的光学领域的一个关键优势是,仍然有足够的二氧化硅在周围环,可以编写有用的光栅(如图所示)。(这些“光子能带”纤维基本上是衍射的纤维只有部分隙;指数对比通常太小,有超过一个小角权宜之计,这类似于如布拉格和菲涅耳衍射的纤维纤维)。这些光栅因此可以用于执行额外的样品光谱选择性监控探测高场中央孔内(相比之下更穷的重叠覆盖洞)。准晶体纤维如菲涅耳纤维依靠简化设计基于圆波导的性质。周期性晶格与3 d结构unnecessary-instead设计基于全向过滤器允许更广泛的权宜之计。例如,图中的纤维1 (c)有一个能带在1000纳米宽(41]。这些纤维也导致显著降低损失之间自谐振耦合间隙区域(无论是内部光场和或接口的玻璃地区,也许是表面模式)降低,稍后讨论。

从上面的几个例子说明了结构化的潜力和挑战光学纤维,它可以产生复杂的传播,可以清楚地好处铭文的波长选择性布拉格光栅等组件。光栅写作,因此,在nonphotosensitive,纯硅,单一材料纤维变得至关重要,如果这些独特的功能是完全保留。在这个特殊的纸,重点是具体的硅基布喇格光栅技术,解决新方向的光纤光栅传感器的温度/应变挑战传统和结构化光学纤维。这将有助于突出传感的潜力。

3所示。温度和应变

光栅传感器的依赖转变,共振波长,,引起的应变,和/或温度,。这是因为影响改变共振通过空间变化的时期,折射率,,同时很大程度上影响折射率变化(尽管这也受到压力的变化之间的核心和包层由于热膨胀系数不同,进而影响到压力对折射率变化的贡献)。一般来说,结合应变和温度的关系与光栅谐振波长可以简单的描述一个方程(见,例如,42):

在哪里是elasto-optic系数的纤维,是热光系数。特定的表达为研究特定染色参数引入的压力可以通过注意的泊松比和必要时扩大系列。这个表达式形式的基础,几乎所有的布拉格grating-based光纤传感器的应用。

4所示。传统的一步指数纤维

对于几乎所有的实际情况利用传统silicate-based光学纤维,它假定纤维参数约那些纯二氧化硅,这是众所周知的()。如果足够大的实验误差,或每个传感器的自校准参考实现,这是一个可以接受的近似。然而,这只是在现实中,获得的实际响应资料无法安装,所以很好地通过这种simplification-estimates应变光学和热光系数基于光纤工作因此经常从批量测量不仅明显不同实验室之间也。这也许不足为奇,但这种变化不能容易校准使用通用标准每人纤维是真正的不同取决于这是捏造的,由谁(黑魔法的元素有时进场!),掺杂物是什么工作,有时车床系统所使用。在实践中,有一个附加的影响值的术语(1)冷冻机械压力和紧张。例如,轴向应变产生的纤维单独绘图过程可以被描述为(43,44] 在哪里拉拔力/紧张, 粘度,是杨氏模量。这个应变增加张力,粘度,或减少。因此,处理历史成为重要的在确定光纤的机械性能,这反过来依赖于掺杂物的类型和数量。搀杂剂也明显影响当地的折射率的核心,因此,监禁的光学模式进而影响被测变量。

对于大多数正常光纤由锗硅酸盐,例如,光纤拉伸条件选择产生一定范围的发生产生的拉伸应力,传统纤维复合系统由两个不同的玻璃成分芯和包层之间。完全有可能获得reverse-mechanical压力可以相反的迹象和超过热应力的大小,导致压应力在界面根据制备条件,杂质,掺杂物(45,46]。例如,在非常高的紧张关系,可以生成压缩应力。

同样重要的是冻结在机械应力是后续热弹性应力引起的核心和包层之间热膨胀系数的差异。的膨胀系数通常是但这可以通过添加掺杂物发生了显著变化。添加20 mol %增加这同时添加只有12摩尔%增加这。这改变纤维的温度依赖性,结合冻结在机械应力的影响意味着甚至纤维相同的食谱可以彼此之间显著不同。表1总结的一些热膨胀系数,,每摩尔%共同掺杂剂的添加(47]。有趣的是,使用的材料和大负膨胀系数足够的浓度可以打开通路设计玻璃减少主机,零或负温度依赖,另一种生意后续机械拉伸包装的光纤布喇格光栅市面上目前卖。不考虑冻结在机械压力,只有5摩尔%需要取消的积极的温度依赖性。当然,一个重要的考虑是掺杂剂是否可以容易地引入和是否会影响所需的光纤的特性,包括光敏性。对于后一种情况,几乎无处不在的材料选择和经常codoped更好地促进混合到石英玻璃网络和低折射率的一步。标准光栅写在这些纤维利用高度一致的频率增加了一倍使用计算机控制激光生成任意光栅概要自由空间干涉仪。这种程度的成熟发达的电信行业,选择过滤器etalon-based薄膜需要实现性能优越。不可避免的是,这种技术会应用在化学传感诊断以来一个过滤器用来过滤特定的分子吸收或发射光谱带很容易。这已经特别有用的物种与重叠的乐队在现有的电信窗口,如哦在光谱研究问题的来源的夜空。光纤光栅滤波器承诺取代当前薄膜校准器过滤器(48例如,]。

基于稀土离子的主动传感器设备,通常比避免搀杂剂,因为它们的寿命产生有害影响上层有生之年激光器和放大器性能的关键,尤其是在codopeded系统等更暴露于声子脱钩。对于这些,最好加入物包括减少脱钩的上层激发态虽然牺牲高散射损失和低纤维热耐受性。高功率激光操作和功率处理一般来说,是首选掺杂剂。混合和相分离时需要考虑的两个重要因素优化光纤功能因为损失的问题是至关重要的对于大多数功能的应用程序,尤其是长分布式传感器系统,由许多组件。

另一个重要的掺杂剂,没有详细考虑过去(至少对光栅写)哦杂质。哦,已知杂质产生压应力(45,46]。几乎可以肯定地是,哦,行为的形成来创建一个内部压力可以帮助抵消拉伸应力的玻璃,如果不超过他们。著名的感光的影响增强procedure-hydrogen载荷作用显著。哦的形成往往是传统的光栅的副产品写作和方便占诱导形成指数变化通过Kramers-Kronig分析(49]。机械应力的影响在纤维不是普遍认为。另一方面,似乎非常合理,这机械效应大大有助于总指数变化可能通过减轻压力,可能限制正常的I型光栅形成(压力一直在观察直接增加core-cladding接口(50,51])。此外,似乎至关重要,这种效应发生的类型(或类型)积极的光栅52]。毫无疑问,光栅的复杂性和范围的写作机会(52跨类型)光谱依赖于所有这些处理条件和掺杂剂的性质。如果这一观点是正确的,我们可以开始作出预测的额外效果可能期望使用其他掺杂物,例如,也是降低核心的热膨胀系数(53,54),是一个标准的干燥材料用于MCVD光纤制造。如果使用恰当,轴向应力在纤维制造可能会减少。如果标准锗硅酸盐光学纤维被认为是,通过减少总冻结应力纤维进入决赛,很可能的光敏性类型光栅可以大大优化,改善热稳定性等潜在的重要成果。同样,影响高处理光栅负折射率光栅和再生等光栅熊考虑。

显然,除了改变光纤布喇格光栅的机械和热响应参数,还有大量空间裁剪传统光纤的光敏反应。相反,有相当大的裁剪工作介质的光栅写作过程本身出现波长193纳米的激光应用于光纤布拉格光栅,特别是,扩展了应用程序的许多其他材料,包括重要的磷硅酸盐和铝硅酸盐系统有利于光纤激光器(59- - - - - -61年]。新激光器,特别是飞秒激光器,更少的依赖于掺杂物和损伤阈值影响指数变化(62年,63年),承诺也有类似的影响。损伤阈值以下,光敏性到其他材料的探索传统并行光纤布喇格光栅意味着大量的新的处理配方允许定制的布拉格光栅本身的属性大幅回顾这些光敏机制[52]。

最传统的纤维,因此,有内在的压力(或压力)添加或减去实际组件的敏感性。应变和温度曲线的函数应用压力将很可能从配方,配方和组成不同纤维成分,这一问题也引发了一些有趣的挑战的定义和测量的标准,国际机构必须最终确定有普遍的通用传感器元素。实验室之间的差异往往归因于由变量而不是实验参数,可能从不同的纤维之间的机械和热参数。

4.1。极端的光栅

为插图说明传统的光学纤维仍远离疲惫的小说研究和方向光栅传感器,还有多少理解底层的光敏机理,即使是最彻底调查类型光栅的光栅,值得检查最近的报告在传统纤维经受一次又一次的循环在超高温度(1000年)[55,64年,65年]。这些所谓的再生光栅目前超越所有其他gratings-despite广阔的增长新写的食谱和配方,这些结果通过普通1型光栅和热处理他们合适的配方,温度增加和再生光栅可以进化。最后重新生成5毫米长光栅可以强25%传输和可以反复循环的温度高达在室温下与全面复苏(55),如图6。光栅可以比纤维本身,也就是说,当纤维变得脆弱,常常在这样的温度下休息,没有注意到可见对光栅光谱的影响。一个简单的扩散模型,基于氢键和振荡反应,因此,似乎不太可能足以解释这些结果。对任何扩散过程是至关重要的,特别是通过哦转移。一个参数取决于分子的形成水的意思是取代氧气,通常不会是可能的(64年),根据修改后的氧气扩散模型(66年]。然而,这样的转会意味着实质性创建缺氧的二氧化硅,这可能会导致结晶的硅或结构转变到更大的键角变形,这将导致大的散射和大指数的变化。另外,种子光栅与氢允许不同的玻璃淬火和放松发生在加工区域产生,也许,结晶或无定形光栅结构相似的四面体属性。这是正在进行的工作的主题。不过,现在这些光栅可以适用于超高温度应用程序包括温度监控的冶炼厂,熔炉,引擎。

5。单一材料结构的纤维

方程(1),连同上面的讨论中,将表明,单一材料光学参数和纤维将有更少的变化,特别是有效的热光系数低。这种纤维可能形成更多的基础实验室之间的重现性,在许多其他应用程序,使单一材料纤维特别具有吸引力的想法。这温度依赖性降低纤维在许多方面最近已经多次验证,不仅与布拉格光栅,也为长周期光栅在单一材料光子晶体纤维(67年),特别有吸引力,线性和旋转双折射光子晶体纤维和设备利用他们(68年- - - - - -73年]。模态干涉仪使用短长度的单一材料光子晶体光纤(74年)也被用作温度不敏感的应变传感器(75年]。具体来说,基于空气孔结构光纤运行沿其整个长度有一个其他关键优势不可能与常规纤维技术基于掺杂物。从本质上讲,一步指数传播可以通过降低平均包层指数由空气孔的分布。

结构化光纤是由所谓的漏水的正常模式的约束边界定义模式在公约一步指数纤维不定义因为有孔之间的泄漏。在完美的周期性晶格泄漏转化为耦合之间的间隙区域,区域内的光场和界面的光场(有时表面模式的描述),和令人惊讶的复杂的包层超模的可能性接近相等,或者在某些情况下,有效折射率高于核心模式。事实上,这个问题是几乎可以肯定的原因的低损耗纤维不会使用一个周期结构。弯曲损失尤其明显恶化的周期性晶格纤维甚至比传统的突变型纤维显著降低NA(这个乞丐的解释在这些纤维NA意味着什么?)。另一方面,通过消除周期性晶格和防止间隙光耦合的光,准周期的或其他非周期的菲涅耳和“分形”纤维设计已被证明有效地减少弯曲损失,他们比传统的纤维。零弯曲损耗是可能的(56),如图7。对于许多传感器和其他设备应用程序这是一个非常理想的性质,并允许紧凑的光纤弯曲。这最终结果还显示从根本上区别高阶模式和基本模式在光子晶体fibres-the微分可以是巨大的损失。

鉴于此,在第一种情况下,基本结构的纤维有漏水的模式矢量沿纤维轴,因此漏失的角色有点压抑,基本模式可能不会如此独特的行为指数模拟的步骤。这个形式突变型近似的理由简单结构纤维复合指数,平均低于核心指标。相反,当高阶模式存在他们将泄漏损失和获得更多影响内隐失场holes-a财产开辟了新的传感应用的机会。例如,因为指数之间的差异和损失之间的大的基本结构双模光纤和高阶模式,可以利用这个来创建一个内部参考布喇格光栅。相反,这是通过使用一个活跃的光栅结构的形式DFB光纤激光器(76年]。相当于联运干扰在光子晶体纤维也被证明(74年),这需要考虑当短的设备是捏造的。

能够写光栅在单一材料纤维第一次证明了使用193纳米的激光(ArF57]。需要克服的一个关键挑战是写梁通过散射衰减大的晶格结构的全面描述这些过程中可以找到的77年]。图8显示了首次在普通光子晶体光纤光栅(类似于图1(一))。立即优势是没有包层模式由于指数并不仅仅局限于核心。对于传统的纤维技术,光敏匹配包层需要定制设计来达到类似的结果。图9也突出了另一个重要例子5 dB强劲光栅菲涅耳内纤维(58]。虽然光学模式有大量的光学提出交互在洞内,纤维的设计是有足够的硅光栅的环形区域内传播上,看到光栅。通过田间小隐失光的光学本地化进洞里可以利用biodiagnostics极其敏感和化学传感器。

5.1。温度响应

5.1.1。菲涅耳和光子晶体光纤

图10显示了布喇格光栅的相对波长位移由2-photon激发在单一材料全石英菲涅耳纤维(图1 (c)和图8)和一个类似的单一材料,单一模式,全石英4-ring光子晶体光纤(图1(一))作为温度的函数58]。低于100菲涅耳纤维有一个稍高的温度依赖性,或有效的热光系数,的光子晶体光纤,虽然两者都是非常接近的纯硅(47]。有一个二次这个有效的热光系数的依赖,这对菲涅耳纤维尤为明显。这是直接归因于模式领域限制的空气孔玻璃的指数变化,因此,必须非常小心,当解释和比较结构光纤之间的温度依赖性。明显的观察菲涅耳内的急剧转变纤维可能描述传播的截止条件特别敏感的菲涅耳纤维衍射传播给更大的依赖。如前所述,表面光学领域的角色定位还尚不清楚。

说明结果反映,总的来说,巨大的范围调整纤维设计和光纤参数和控制温度依赖性等属性。这可以应用于增强各种热可调设备配置使用结构化的纤维,主动或被动,和光栅。遥感应用程序可以使用此控制温度依赖帮助独立的交织在一起的温度和应变之间的关系。单一材料纤维有其他的优势,例如,鉴于该指数与空气足够高,形成双折射等属性可以方便地引入这些纤维。形成双折射在单一材料纤维是免费的温度问题与两种材料的不同热膨胀coefficient-fibre零的温度依赖性的双折射来已经证明(68年]。这些结果扩展到一个旋转的版本纤维(72年)具有重要的应用,在很多内部电场传感器和陀螺仪,一个关键的参数是包装隔离系统的温度波动。这两个可以结合布喇格光栅增强和多功能特性。

5.1.2中。基本与高阶模式

高阶的强隐失场相互作用与空气孔允许基本模式可以使用相对参考臂,一个有吸引力的一体化光纤解决方案。这种可能性是最近扩展到操作DFB光纤激光器,激光可以在获得的基本模式或高阶模式,使用掺杂铝硅酸盐核心进一步远离洞(限制的基本模式56]。这样的活跃的光栅结构允许增强磁共振检测许多被测变量,例如,它是一个重要的方法,使光纤足够敏感的海底声学检测(78年,79年]。激光阈值以下,这种结构被用来研究在结构的光纤应变和温度(80年]。的有效指数两种模式产生两个不同的光栅峰值(图11)。模式是由相应的部分权力(中每个模式)的高指数掺杂区域(0.002)和周围的硅。渗漏现象发挥重要作用在确定和定义模场半径,因此,光的分数分布模式在核心或二氧化硅掺杂。这些模式与大型横向向量组件将敏感孔形状和孔之间的压力的变化引起的结构,例如,抗拉或压应力沿纤维应用。

但同样清楚的是,这个敏感性取决于空气分数,晶格的规律性,组成材料和类型的指数指导。例如,前面描述的菲涅耳纤维有更少的空气分数,没有规律,单一的材料全石英,模式在很大程度上取决于衍射的指导甚至突变型的基本模式,而不是平均效应。另一方面,有关衍射的耦合损耗是一个常规光子晶体纤维的特点,最小的微弯。因此,比较两者的温度和应变的影响基本模式在单一材料菲涅耳纤维和单一材料光子晶体光纤将进一步说明多大的灵活性设计存在仅通过控制结构。

从图11的透射谱4-ring光子晶体光纤与光纤光栅有两个反射波段对应它的目的是支持的两种模式,一个长波长(1535.2 nm)的基本模式,以及其他纳米波长较短的高阶模式。图12显示每个mode-both光栅的温度依赖关系获得通频带被发现有类似的线性变化与温度。这些结果按照材料性能的纤维,由于热膨胀系数,的纤维(二氧化硅)指的是一个数量级小于热光系数掺锗石英芯光纤,作为一个参考价值(81年]。从光栅响应作为温度的函数,基本模式波长依赖性和1535.2纳米。这些对应于和是近两倍的纯硅虽然类似于掺杂光纤。这是由于更大的价值再版铝硅酸盐核心,这是不足为奇的高阶模式,将更多的二氧化硅,略低的价值。因此,预计该复合系统行为的基础上组成组件材料。

5.2。应变依赖

与温度的依赖关系,是有区别的基本模式和前面的高阶模式掺杂铝硅酸盐光子晶体光纤。观察到的变化与应用应变布拉格波长对应的基本模式(图13)有一个线性行为。然而,布喇格波长越短,对应于高阶模式,非线性行为描述的二次依赖。与传统的纤维,高阶漏水的模式(特别是)光子晶体光纤变化很敏感压力洞,两孔之间的大小和形状以及孔直径的比值孔间距,(82年]。压缩的第一环,部分产生的固体核心抵抗压缩力,导致增加用积极应变(应用张力)。这个问题是一个著名的一个,也有助于孔变形的第一环,如果不能得到解决,在纤维制造(83年]。通过增加,模态约束损失减少,导致改善了模式的约束。这改变了分数,在核心的中心和硅环和包层。由于有效折射率是依赖这个分数,有一个额外的布喇格波长的变化从线性曲线偏离。考虑到变化是基于循环约束,因此模式区,第一个近似二次依赖预计和观察80年]。因此,strain-optic系数降低。此外,光栅强度也依赖于这个分数我们希望观察光栅强度的变化作为应变的函数。结构本身的空气变得积分定义材料属性和在这种情况下的复合材料。因此,整个介质可以被视为一个独特的理论分析材料(SSM)的属性可以被裁剪定制的折射率在某种程度上类似于裁剪的原子分布成分和分数的复合系统。

这种纤维相比,尽管敏感的大型互动基本衍射模式结构由于其减少监禁和缺乏绝缘指数核心,菲涅耳纤维与应变线性相关,如图14(58,84年]。这是解释分数很低的空气和不规则排列的孔,防止像海绵一样的结构容易受到压缩的影响足够影响模式重叠的洞。

这项工作的最明显的应用是使一个简单的应变和温度之间的区别从控制应变的角度而不是温度。能够删除或解开,应变的贡献是一个关键的问题在光纤传感光栅通常和结构化光纤提供了一个独特的途径,可以解决这个问题。

6。使用光子晶体纤维折射率测量

高core-cladding指数对比的结果,贡献模式传播,例如,一个周期安排的洞是微不足道的,当光的波长大于孔之间的桥厚度但小于内径。另一方面,较低的封闭模式或当光的波长相匹配的或小于间隙孔间距,以及核心大小本身,一个周期晶格提供相位条件,允许光的相干散射,因此衍射的限制(85年]。这种共振现象被观察到在弯曲损耗测试光泄漏从核心和发射进入包层,生成一个短的截止波长的光纤传输带(28]。鉴于这个属性是独一无二的周期性结构的光学纤维,它可以利用独特的方式测量的属性放在洞中。

简短的截止波长是敏感扰动应用于纤维以及材料的指数在洞内。事实上,这种规律之间的光耦合间隙区域常规晶格结构纤维中扮演着重要角色在高弯曲损耗特性的纤维(56]。防止这种情况的最好方法是删除这个格子的结晶规律从而破坏coupling-zero弯曲损失已经证明使用菲涅耳鸣叫纤维(或分形纤维)(56]。等光纤也理想的锥形结构的基础纤维高效金属免费近场显微镜(86年),诊断分析的一个重要工具,消除了金属涂层的等离子体耦合问题技巧。

1 d变异的衍射散射问题是观察在air-clad光学纤维。它源于常规干硬后周围的空气孔的环(87年]。这些特殊的纤维对于astrophotonics和成像应用程序尤其重要,因为他们可以有非常高数值孔径由于接近理想化的空气环纤维。最近,仔细考虑影响焦比退化(朋友)被报道88年)而没有注意到从衍射散射产生巨大的影响,通常散射的波纹表面观察到产生退化的朋友。

晶格纤维,与致密化相关的干硬后光栅产生必要的耦合通过晶格散射(29日]。这种散射的条件的波长依赖性将敏感是什么在空中通道效应测量折射率的诊断工具是可能的。冰的折射率测量,证实了一个简单的布喇格条件就可以如何描述流程短的波长。因此,材料的折射率在孔内,,是由29日]

在哪里,和的分数是二氧化硅和漏洞,使包覆,光栅的顺序,是晶格间距,的指数。图15显示水的折射率计算确定的传输频带边缘转变可见长波长作为温度的函数。冻结是观察到发生在温度低于零,,符合高压力诱导微通道内。降低冰的议员这样的数量需要一个当地的压力30 Mpa (89年),一个迹象可以生成高效的压力在微观和nanocapillaries冰1 h,它从液态体积增加9%。这对于微观和纳米流体力学具有重要影响。的折射率计算冻结冰是在协议错误与冰1 h。

还可以确定材料的折射率在孔内通过监控的有效温度依赖上把指数,并且其温度依赖,可以提取有效的热光系数(或)纤维及其有效重叠派生形式参考样本用于校准传感器。这种方法被用来确定perfluoroheptane的热光系数,在文献[不可用22]。图16显示有效折射率变化的测量作为温度的函数为未知perfouroheptane和已知的庚烷。替换为在庚烷的负热光系数大大降低有机分子体系。

7所示。其他的例子基于填充结构的光纤

填充的结构化光纤已经产生了简单而有趣的全纤维的结果。其中包括演示大大增强受激喇曼散射(SRS)在光子带隙光纤使用氢气[90年]。仅仅使用结构化纤维作为直接的细胞光学检测气体,如甲烷和乙炔(也得到了证实91年,92年]。后者为这些应用程序很明显,一边访问的纤维,通过蚀刻,激光烧蚀93年- - - - - -96年),或离子束处理(97年)将成为重要的。简单功能设备使用液晶也被证实,其中一些已经被描述。采取这种相对简单的方法的一个关键因素设备制造另一个层面,真正区分结构光纤的发展选择性填充,最初通过填写的核心只有衍射的菲涅耳纤维(98年]。本要做允许的技术奠定了基础第一光纤的真实材料工程基础三种不同材料的性能没有混合他们(24),一个关键的步骤演示lab-in-a-fibre的可行性技术(25)在多个功能,也许所有上面的示例使用一个光纤光栅和各种其他组件,将成为可能。光学接口可能发挥关键作用的本地化冷凝复杂lab-in-a-fibre系统内可能的特征尺寸,包括整合半导体聚合物,和柔软的眼镜来帮助提高指数的对比。潜在的实验室纤维系统的示意图如图17。

8。结论

本文的目的是强调一些属性的新一代光学纤维和光栅来实现同时也显示,传统纤维技术保留进一步发展的巨大潜力。从一步索引结构纤维(20.),通过提出布拉格能带纤维(99年),在结构化形式(One hundred.),突变型晶格中开发一个类似的方向(101年)和随后的能带隙纤维实验结果(102年)基于理论设计(103年),与后来的实验结果更有说服力(104年),准晶体,菲涅耳区板纤维(30.- - - - - -34,84年,105年),结构化的纤维有可能延长光纤能力远远超出传统技术。然而,传统文献数据库和结构光纤现在是如此之大,发展迅速,是不可能做的公平正义都开发的例子。在这里选择几个选择,主要air-structured纤维,与利用的角度来看这些新趋势。

材料科学显然是一个日益重要的行列式为特定于应用程序的设备和系统。考虑到广阔的探索空间到新材料,特别是软眼镜和聚合物,本文集中专门silica-related技术随着这些仍然是目前最成熟、实用的关于传感行业中的应用。然而,在一些地区这些其他材料(从一次性和可溶性纤维素纤维biodiagnostics [106年)通过任意结构的纤维截面使用聚合物挤出(107年)软眼镜为红外操作(108年,109年通过半导体光纤()110年)包括新的硅芯石英纤维(111年])将可发挥重要作用。在这方面,值得跑题和简要评论第二材料系统预示对光纤布喇格光栅传感器的工作:聚合物纤维。

光栅在其他材料有时与二氧化硅的工作争议。最近的示威游行的光栅结构聚合物纤维,例如,反射所示只是因为他们在传播几乎检测不到112年,113年),类似于再生光栅(初始工作64年]。此外,除了很大的损失与这些相关的结构化聚合物纤维,主要由有机玻璃(PMMA),有证据表明,周期的光栅写入它们是由紫外线氧化空气沿纤维聚合物的可观察到的颜色与长时间曝光,当空气被用来取代氮没有光栅能够被记录(113年]。相比之下,然而,一些有趣的结果在固体聚合物纤维等特殊photosensitiser trans-4-stilbenemethanol [112年- - - - - -115年做承诺潜在的应用在生物医学一些有机兼容性是必需的。(生物相容性是一个复杂的问题,需要全面在医学界同行审查,特别是考虑到增加的材料,掺杂物,为生物医学应用程序通常涉及入侵过程在有机组织。)这是来自第一个重大进展导致聚合物纤维(116年实现不可能)在高传播损失。很明显,尽管如此,在这个领域工作过的人,仍然有巨大的材料工作进聚合物光纤光栅的应用程序。研究的一个关键问题是变形和影响长期的表现尤其成问题的结构化聚合物光纤已提出的作者和其他局域网网络。另一方面,这种聚合物结构光纤的不利方面利用进行有效矫正内点第一力传感器测量应用程序(3,117年]。的能力将聚合物(或其他材料包括硅(111年)材料内部和周围硅结构纤维,包括感光系统,提供了一个简单的临时解决方案不会引起排斥的应用程序以及一个可行的访问途径的大应变和热光系数聚合物(记得使用有机液体在结构化的石英纤维等的影响)。

对于光栅在柔软的眼镜,这要看相对简单的成功,因为指数变化应该很容易实现使用可见激光访问带边沿和/或特定的缺陷,尽管工作以纤维形式尚未报道。长期稳定的问题,然而,可能会带来更多材料的挑战。

石英光纤布喇格光栅的未来,因此,作为光纤传感的林奇销看起来明亮。新的写作技术,如飞秒激光处理,继续探索这些使写在几乎任何材料,例如,更详细的技术已经在其他评论(52,61年- - - - - -63年,76年]。同时,结构化光纤可能允许,使用空气孔填充玻璃系统,前所未有的自定义裁剪纤维和光栅特性而言,真正的复合材料工程。然而,尽管所有这些新发展和承诺类型光栅写在传统纤维继续坚持积极为新光栅研究起点。再生光栅的运作是一个新颖的亮点。这些“传统”光栅尤其具有吸引力,因为他们保留许多重要的实际特点,传统的纤维,纤维的新一代尚未实现:拼接损失低,低传播损失,没有室内污染与优惠,一般整体简洁和兼容现有的维修技术。此外,光栅写作过程用连续波波长244纳米的光仍是最商业接受并迄今为止最先进,许多应用程序启用任何滤光片设计。另一方面,新的结构纤维提供替代路线来解决的许多问题现有的传统的纤维。决定使用哪种技术将取决于实际常规纤维技术的成熟度是否可以抵消新功能结构纤维提供特定的应用程序。乐观的长期方向感应,代表是lab-in-a-fibre技术的潜力看好。另一方面,对于许多应用程序简洁是一个工作中心设计一个很好的例子,还强调了潜在的结构化纤维技术是一个简单的静水压力传感器基于光栅写入锗硅酸盐核心纤维与两个大洞118年]。只是打破对称的纤维使用漏洞打破了各向同性静水压力和允许感生光栅双折射作为直接、有效、监控的压力。灵敏度可以明显提高被动或主动共振结构。

确认

作者要感谢各种学生、员工和同事。特别是以下:Nathaniel Groothoff,凯文·库克,雅各布·芬顿迈克尔•史蒂文森这Aslund IPL;西塞罗马特利目前机械工程部门举办,里约热内卢巴西;Hypolito Kalinowski联邦理工大学的亚历山大·波尔,库里提巴,巴拉那河、巴西;约翰Holdsworth从数学和物理科学学院,纽卡斯尔大学,纽卡斯尔,新南威尔士、澳大利亚;Somnath Bandyopadhyay从中央玻璃和陶瓷研究所(CGCRI),加尔各答,印度;以前中心甘伟鸿Sorenson, COM,导航系统,现在在Koheras / S,丹麦,汉斯Deyerl以前中心COM,导航系统,现在开科技大学,德国马丁Kristensen以前中心COM,导航系统,现在iNANO,丹麦奥尔胡斯大学与研究中心的同事们COM(现在系统Fotonik、光子工程系、丹麦)和许多其他人。赞助工作来自澳大利亚研究理事会通过其发现项目方案和教育部、科学和培训(桌子),澳大利亚通过其国际科学联系项目。