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
54.07006(2017 激光与光电子学进居 www.opticsjoumal.net 荧光收集效率，在2一3min内可检测出2L.荧光样品。2012年，Ghenuche等提出一种采用Kagome型 空芯PCF的荧光分子探测系统，在PC℉的前端固定直径为20um的聚苯乙烯微球，能够更好地实现入射光 的聚焦及荧光的收集。该传感器在溶液中对荧光分子的探测极限可达到ol量级，信噪比相比于使用普 通光纤时提高了200倍，检出极限降低了1000倍。2015年，Yn等功制作了一种基于荧光硒化镉/硫化锌 (CdSe/亿S)量子点水溶液的温度传感器，将量子点水溶液填充至一段空芯PCF的气孔中，两端用多模光纤 熔接密封，量子发光特性随温度变化，通过比较不同温度下透射光谱中量子点荧光波长的漂移，得到灵敏度 为0.l309nm/℃。本课题组尝试在Kagome型PCF及三孔悬芯PCF的内表面镀包埋荧光素膜，之后两端 熔接多模光纤并密封，当温度发生变化时荧光素发光性质随之发生改变，同样可以实现荧光温度传感。收集 荧光信号的方式有两种，透射光谱和反射光谱均包含荧光信号，其原理如图8所示。所用PC下的直径仅为 数百微米，该传成器在高精度混度传成须域具有很大的发展潜力 荧光型传感器既可以检测特定物质的浓度，也可以对影响物质荧光特性的外界参量（如温度）进行传感 其优点在于特异性好。由于不同物质的荧光波长不同，且允许一定量的杂质存在，故检测极限低，在微浓度 甚至痕量物质检测方面具有良好的应用价值。 onnecto XXXX computer molecule HC-PCF probe 图？基于PCF的荧光传感器。(a)实验装置示意图：(b)PC下面图 eetion image of PCF →9 e signal) Kagome PCF (coated with uo incident ligh （(containing gna 图8两种PCF荧光温度传感探头。(a)正向透射型(b)背向反射型 g8 Two kinds of PCF fluor ence temperature sensing probes.(a)Forward transmission type(b)back reflection type 3.4表面等离子体共振(SPR)型PCF传感器 光纤SPR传感以光纤为传导介质，在光纤传感器探头上激发SPR,再利用检测设备对SPR信号进行分 析。传统的光纤SP℉传感器采用将普通光纤剥去包层后镀上金属（通常为金或银）膜的方式制成传感探头， 利用纤芯表面修浙波与金屈膜的相互作用来产生SPR信号。若果用℃F制作传感探头，传给模式的右效 折射率和待测物质折射率易于通过结构设计达到一致，从而实现模式桐合和共振 ,对于多孔结构，可直接在 其空气孔内表面镀金属膜，避免剥去包层的纤芯表面粗糙带来的散射损耗，该结构具有作用距离长、共振强 度高等优点。 近年来，基于复杂截面结构PC下的SPR传感器不断被报道，已成为PC下传感领域的一大热点[山，其 070006-6 1994-2018 China Aeademic Joural 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 荧光收集效率，在２～３ｍｉｎ内可检测出２μＬ荧光样品。２０１２年，Ｇｈｅｎｕｃｈｅ等［３６］提出一种采用 Ｋａｇｏｍｅ型 空芯 ＰＣＦ的荧光分子探测系统，在 ＰＣＦ的前端固定直径为２０μｍ 的聚苯乙烯微球，能够更好地实现入射光 的聚焦及荧光的收集。该传感器在溶液中对荧光分子的探测极限可达到 ｎｍｏｌ量级，信噪比相比于使用普 通光纤时提高了２００倍，检出极限降低了１０００倍。２０１５年，Ｙｉｎ等［３７］制作了一种基于荧光硒化镉／硫化锌 （ＣｄＳｅ／ＺｎＳ）量子点水溶液的温度传感器，将量子点水溶液填充至一段空芯 ＰＣＦ的气孔中，两端用多模光纤 熔接密封，量子发光特性随温度变化，通过比较不同温度下透射光谱中量子点荧光波长的漂移，得到灵敏度 为０．１３０９ｎｍ／℃。本课题组尝试在 Ｋａｇｏｍｅ型 ＰＣＦ及三孔悬芯 ＰＣＦ的内表面镀包埋荧光素膜，之后两端 熔接多模光纤并密封，当温度发生变化时荧光素发光性质随之发生改变，同样可以实现荧光温度传感。收集 荧光信号的方式有两种，透射光谱和反射光谱均包含荧光信号，其原理如图８所示。所用 ＰＣＦ的直径仅为 数百微米，该传感器在高精度温度传感领域具有很大的发展潜力。 荧光型传感器既可以检测特定物质的浓度，也可以对影响物质荧光特性的外界参量（如温度）进行传感， 其优点在于特异性好。由于不同物质的荧光波长不同，且允许一定量的杂质存在，故检测极限低，在微浓度 甚至痕量物质检测方面具有良好的应用价值。 图７ 基于 ＰＣＦ的荧光传感器。（ａ）实验装置示意图；（ｂ）ＰＣＦ截面图 Ｆｉｇ．７ ＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎＰＣＦ．（ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ；（ｂ）ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｏｆＰＣＦ 图８ 两种 ＰＣＦ荧光温度传感探头。（ａ）正向透射型；（ｂ）背向反射型 Ｆ ｉｇ．８ ＴｗｏｋｉｎｄｓｏｆＰＣＦｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｎｇｐｒｏｂｅｓ．（ａ）Ｆｏｒｗａｒｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｙｐｅ；（ｂ）ｂａｃｋｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｔｙｐｅ ３．４ 表面等离子体共振（ＳＰＲ）型ＰＣＦ传感器 光纤ＳＰＲ传感以光纤为传导介质，在光纤传感器探头上激发ＳＰＲ，再利用检测设备对ＳＰＲ 信号进行分 析。传统的光纤ＳＰＲ传感器采用将普通光纤剥去包层后镀上金属（通常为金或银）膜的方式制成传感探头， 利用纤芯表面倏逝波与金属膜的相互作用来产生 ＳＰＲ 信号。若采用 ＰＣＦ制作传感探头，传输模式的有效 折射率和待测物质折射率易于通过结构设计达到一致，从而实现模式耦合和共振。对于多孔结构，可直接在 其空气孔内表面镀金属膜，避免剥去包层的纤芯表面粗糙带来的散射损耗，该结构具有作用距离长、共振强 度高等优点。 近年来，基于复杂截面结构 ＰＣＦ的ＳＰＲ传感器不断被报道，已成为 ＰＣＦ传感领域的一大热点［３８－４１］，其 ０７０００６－６
54.07006(2017 激光与光电子学进展 www.opticsjournal.net 中大多数仍为理论模型计算阶段，研究结果表明基于PC的SPR传感器的灵敏度远高于传统的干涉型与 光糖型传感器。如图9所示，Yu等]在Kagome型PC下芯孔内表面沉积金纳米粒子，之后在纤芯孔内填充 不同折射率液体，仿真计算表明1.30~1.38折射率范围内的灵敏度可达到1495nm/RIU。当温度发生变 化时，由于液体的折射率在一定范围内随温度是线性变化，共怎条件发生改变。传感器也可同时应用于温度 测量，以乙醇作为温敏液体填充纤芯孔时，0~40℃温度范闹内灵敏度为0.7317m/℃，共振峰漂移显著且 线性度高达99.97%】 实际研制方面，2013年，Wong等四报道 一种用于检测免疫球蛋白G(IgG)的SPR 生物传感器，如图10所示。将PC下两端空气孔熔塌并熔接至多模光纤，在PC下表面镀上金膜，并在金膜表 面镀一层G蛋白及硫醇混合膜以周定lgG。该传感器仅需0.267mg/L的1gG抗体标记即可实现1gG检 测。2014年，Lu等[]通过在LMA-8型PCF中填充质量比为1,4的银纳米线及乙醇混合溶液来激发 SPR,以实现温度传感：研究发现10一40℃温度范围内的共振峰发生明显蓝移，灵敏度高达2.7m/℃ 2015年，Lu等又提出了一种在PCF内部填充银纳米线的SPR折射率传感器，灵敏度达到1.424×10 /RIU。直接填充银纳米线相比内表面镀银莫操作更简便，在一定范围内银纳米线铱度对共振峰强度的 影响极小，允许误差大，显著提高了可操作性。 SPR型传感器具有相当高的灵敏度，检测极限低且应用范围广，不仅可以实现温度、折射率的测量，在 生化传感方面也具有潜在应用。 件发生变化，从而实现其浓度的特异性检测 若要进 步提升PCF 其得到实际应 用，如何高效地在PCF气孔表面镀上均匀、稳定及重复性好的金属膜是要重点克的技术难题 图9 e型P下的SPR传感器理论模型，(a)Kagome光纤SEM图：(b)Kagome光纤仿直模型：()纤孔放大图 ig.9 The ical model of spr hased on Kagome PCF.(a SEM ima e of kagome fiber (b)simulation model of Kagome fiber()enlarged image of fiber core hole eold film MMF a-gG tein G ometer 图10PCF-SPR传感器。(a)传感探头结构：(b)1gG定机理 Fig.10 PC SPR sensor. 3.5拉曼散射型PCF传感器 在光纤信号分析中，拉曼散射的强度通常十分微弱，难以检测。在去除包层的纤芯表面镀金、银等金属 聪时，拉母谱线强度会得到极大地增强，即产生表面增强拉品撒射(SERS)现象。若使用PC下林代普通光 070006-7 1994-018 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enkine
５４，０７０００６（２０１７） 激光与光电子学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ 中大多数仍为理论模型计算阶段，研究结果表明基于 ＰＣＦ的 ＳＰＲ 传感器的灵敏度远高于传统的干涉型与 光栅型传感器。如图９所示，Ｙｕ等［４１］在 Ｋａｇｏｍｅ型ＰＣＦ芯孔内表面沉积金纳米粒子，之后在纤芯孔内填充 不同折射率液体，仿真计算表明１．３０～１．３８折射率范围内的灵敏度可达到１４９５ｎｍ／ＲＩＵ。当温度发生变 化时，由于液体的折射率在一定范围内随温度呈线性变化，共振条件发生改变。传感器也可同时应用于温度 测量，以乙醇作为温敏液体填充纤芯孔时，０～４０ ℃温度范围内灵敏度为０．７３１７ｎｍ／℃，共振峰漂移显著且 线性度高达９９．９７％。实际研制方面，２０１３年，Ｗｏｎｇ等［４２］报道了一种用于检测免疫球蛋白 Ｇ（ＩｇＧ）的ＳＰＲ 生物传感器，如图１０所示。将 ＰＣＦ两端空气孔熔塌并熔接至多模光纤，在 ＰＣＦ表面镀上金膜，并在金膜表 面镀一层 Ｇ 蛋白及硫醇混合膜以固定ＩｇＧ。该传感器仅需０．２６７ｍｇ／Ｌ 的ＩｇＧ 抗体标记即可实现ＩｇＧ 检 测。２０１４年，Ｌｕ等［４３］通过在 ＬＭＡ－８型 ＰＣＦ 中填充质量比为１.４的银纳米线及乙醇混合溶液来激发 ＳＰＲ，以实现温度传感；研究发现１０～４０ ℃温度范围内的共振峰发生明显蓝移，灵敏度高达２．７ｎｍ／℃。 ２０１５年，Ｌｕ等［４４］又提出了一种在 ＰＣＦ 内部填充银纳米线的 ＳＰＲ 折射率传感器，灵敏度达到１．４２４×１０４ ｎｍ／ＲＩＵ。直接填充银纳米线相比内表面镀银膜操作更简便，在一定范围内银纳米线浓度对共振峰强度的 影响极小、允许误差大，显著提高了可操作性。 ＳＰＲ型传感器具有相当高的灵敏度，检测极限低且应用范围广，不仅可以实现温度、折射率的测量，在 生化传感方面也具有潜在应用。某些生化物质可与 ＰＣＦ表面或内壁固定的底物特异性结合，使得其共振条 件发生变化，从而实现其浓度的特异性检测。若要进一步提升 ＰＣＦ－ＳＰＲ 传感器的性能并使其得到实际应 用，如何高效地在 ＰＣＦ气孔表面镀上均匀、稳定及重复性好的金属膜是要重点克服的技术难题。 图９ Ｋａｇｏｍｅ型 ＰＣＦ的ＳＰＲ传感器理论模型。（ａ）Ｋａｇｏｍｅ光纤ＳＥＭ 图；（ｂ）Ｋａｇｏｍｅ光纤仿真模型；（ｃ）纤芯孔放大图 Ｆｉｇ．９ ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＳＰＲｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎＫａｇｏｍｅＰＣＦ．（ａ）ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆＫａｇｏｍｅｆｉｂｅｒ； （ｂ）ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＫａｇｏｍｅｆｉｂｅｒ；（ｃ）ｅｎｌａｒｇｅｄｉｍａｇｅｏｆｆｉｂｅｒｃｏｒｅｈｏｌｅ 图１０ ＰＣＦ－ＳＰＲ传感器。（ａ）传感探头结构；（ｂ）ＩｇＧ固定机理 Ｆｉｇ．１０ ＰＣＦ－ＳＰＲｓｅｎｓｏｒ．（ａ）Ｓｅｎｓｉｎｇｐｒｏｂｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；（ｂ）ｆｉｘａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＩｇＧ ３．５ 拉曼散射型ＰＣＦ传感器 在光纤信号分析中，拉曼散射的强度通常十分微弱，难以检测。在去除包层的纤芯表面镀金、银等金属 膜时，拉曼谱线强度会得到极大地增强，即产生表面增强拉曼散射（ＳＥＲＳ）现象。若使用 ＰＣＦ替代普通光 ０７０００６－７
54.07006(2017) 激光与光电子学进居 www.opticsjoumal.net 纤，可通过在气孔内表面沉积金属纳米颗粒或镀金属膜的途径激发SES,C下传感器具有传感探头强度 高、敢射损耗低，作用距离长等优点，在生物化学检测方面有潜在应用价值 2014年，Dinish等[)利用化学方法将亮蛋白固定于PCF的气孔内表面.通过金纳米粒子与拉曼活性分 子生物偶联激发SERS信号，于10nL样品中成功检测出1X10~0g癌蛋白。2015年，Wag等在空芯光 纤的内壁沉积银膜，将食用油注入空芯光纤中检测透射拉曼光谱，实现了食用油不饱和度的检测和食用油煎 炸程度的判定。采用镀银空芯光纤可以有效增强及收集拉曼散射光，从面提高灵敏度。同年，K。 ni[4 在空芯PC下中沉积银纳米颗粒，实现300细胞mL-量级的白血病细胞的检测，有望替代传统的抗体+流体 细胞仪的检测方法。Pinkhasova等[在PCF内表面镀上一层纳米标记物，该标记物由Ag核硫氰酸分子- Au壳层的结构组成，直径约为45：m:实验证明随填充至PC下内部R6G溶液浓度的变化，标记物激发的 SERS信号强度发生显著改变，从而可实现浓度检测。2016年，G。g等)提出了一个基于侧酒首光子品体光 纤(SC-FPC)的SERS生物检测平台，该研究将金纳米粒子和亚油酰胺炔烃(LAA)标记后的细胞混合负载于侧 通道表面以激发SES,通过测量炔烃的拉曼特征峰可准确监测细胞中脂质过氧化导致的蛋白质改性。 P℃下不仅能将光紧密束缚在其中传播，光与扩散在其中的反应待测物还能发生强烈的相互作用，研究 发现在某些情况下PCF探针可以自发地增强拉曼散射信号而不必借助于SERS现象，这也为PCF拉曼散 射传感器的研究提供了一个新的思路。2011年，Yag等0提出了一种检测葡萄糖浓度的非表面增强型 PC下拉曼散射传感器，该研究直接在空芯PC下气孔中填充液体，葡萄糖分子扩散进入液体中并激发拉曼散 射，拉曼谱线强度随葡萄糖分子浓度的变化面变化：该传感器检测体积为50L的样品响应时间约为30 在葡萄糖-果糖混合溶液中的传感准确性不受影响。2016年，Zhang等四设计了一种使用SC-PCF的拉曼 散射传感器（图11），侧通道内的倏逝波能量可以通过改变包层气孔间距及气孔直径来调节。将R6G与金 纳米粒子(ANPs)的混合溶液通过注射器注人侧通道内激发拉曼散射，该传感器对于R6G的检测非常灵 敏，检测极限低至5×10 nmol/I. _SC-PCP 图11基于SC-PCF的拉曼散射传感器，(a)传感探头原理图：(b)PCF截面图 Fig.11 A Raman scattering sensor based on SC-PCF.(a)Schematic of sensing probe:(b)cross section image of PCF 3.6PCF光栅型传成器 光纤光传感器属于波长调制型光纤传感器，根据布拉格光栅公式入=2A或长周期光栅公式入 (一)A(其中入为光橱中心波长，n。为纤芯折射率，为包层折射率，A为光橱间距)，光纤光栅型传感器 利用环境物理量变化直接引起光概间距的变化，间接引起反射峰位漂移的原理进行传感。传统的光纤光栅 传感器已成功应用于桥梁、建筑，道路等领域的监测，但因存在对温度、应力等外界参量交又敏感以及高温不 稳定问题，在某些领域的应用受到一定限制。PC℉高温稳定性较普通光纤好，且可以通过改变结构参数、气 孔镀膜或者填充其他物质等方法降低多参量交叉敏感的影响。随着光纤光栅刻写工艺的成熟，关于光纤光 栅型PC下传感器的研究有望取得更大进展。 2012年，Zheg等利用二氧化碳激光器于PCF内部刻写长周期光栅，并通过静电自组装沉积技术在 光纤气孔内表面镀聚烯丙基胺盐酸盐(PAH+)/聚丙烯酸(PAA~)双层纳米膜，当环境湿度由22%提高至 29%时，该传感器具有0.07nm-1的共振波长漂移。2014年，Naeem等6在两段相同长度的纤芯掺钻实芯 070006-8 1004.2018chia 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 纤，可通过在气孔内表面沉积金属纳米颗粒或镀金属膜的途径激发 ＳＥＲＳ，ＰＣＦ传感器具有传感探头强度 高、散射损耗低、作用距离长等优点，在生物化学检测方面有潜在应用价值。 ２０１４年，Ｄｉｎｉｓｈ等［４５］利用化学方法将癌蛋白固定于 ＰＣＦ的气孔内表面，通过金纳米粒子与拉曼活性分 子生物偶联激发ＳＥＲＳ信号，于１０ｎＬ样品中成功检测出１×１０－１０ｇ癌蛋白。２０１５年，Ｗａｎｇ等［４６］在空芯光 纤的内壁沉积银膜，将食用油注入空芯光纤中检测透射拉曼光谱，实现了食用油不饱和度的检测和食用油煎 炸程度的判定。采用镀银空芯光纤可以有效增强及收集拉曼散射光，从而提高灵敏度。同年，Ｋｈｅｔａｎｉ等［４７］ 在空芯ＰＣＦ中沉积银纳米颗粒，实现３００细胞 ｍＬ－１量级的白血病细胞的检测，有望替代传统的抗体＋流体 细胞仪的检测方法。Ｐｉｎｋｈａｓｏｖａ等［４８］在 ＰＣＦ内表面镀上一层纳米标记物，该标记物由 Ａｇ核－硫氰酸分子－ Ａｕ壳层的结构组成，直径约为４５μｍ；实验证明随填充至 ＰＣＦ 内部 Ｒ６Ｇ 溶液浓度的变化，标记物激发的 ＳＥＲＳ信号强度发生显著改变，从而可实现浓度检测。２０１６年，Ｇｏｎｇ等［４９］ 提出了一个基于侧通道光子晶体光 纤（ＳＣ－ＰＣＦ）的ＳＥＲＳ生物检测平台，该研究将金纳米粒子和亚油酰胺炔烃（ＬＡＡ）标记后的细胞混合负载于侧 通道表面以激发ＳＥＲＳ，通过测量炔烃的拉曼特征峰可准确监测细胞中脂质过氧化导致的蛋白质改性。 ＰＣＦ不仅能将光紧密束缚在其中传播，光与扩散在其中的反应待测物还能发生强烈的相互作用，研究 发现在某些情况下 ＰＣＦ探针可以自发地增强拉曼散射信号而不必借助于 ＳＥＲＳ现象，这也为 ＰＣＦ拉曼散 射传感器的研究提供了一个新的思路。２０１１年，Ｙａｎｇ等［５０］提出了一种检测葡萄糖浓度的非表面增强型 ＰＣＦ拉曼散射传感器，该研究直接在空芯 ＰＣＦ气孔中填充液体，葡萄糖分子扩散进入液体中并激发拉曼散 射，拉曼谱线强度随葡萄糖分子浓度的变化而变化；该传感器检测体积为５０ｎＬ的样品响应时间约为３０ｓ， 在葡萄糖－果糖混合溶液中的传感准确性不受影响。２０１６年，Ｚｈａｎｇ等［５１］设计了一种使用 ＳＣ－ＰＣＦ的拉曼 散射传感器（图１１），侧通道内的倏逝波能量可以通过改变包层气孔间距及气孔直径来调节。将 Ｒ６Ｇ 与金 纳米粒子（ＡｕＮＰｓ）的混合溶液通过注射器注入侧通道内激发拉曼散射，该传感器对于 Ｒ６Ｇ 的检测非常灵 敏，检测极限低至５×１０－５ｎｍｏｌ／Ｌ。 图１１ 基于ＳＣ－ＰＣＦ的拉曼散射传感器。（ａ）传感探头原理图；（ｂ）ＰＣＦ截面图 Ｆｉｇ．１１ ＡＲａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎＳＣ－ＰＣＦ．（ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｓｅｎｓｉｎｇｐｒｏｂｅ；（ｂ）ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｏｆＰＣＦ ３．６ ＰＣＦ光栅型传感器 光纤光栅传感器属于波长调制型光纤传感器，根据布拉格光栅公式λ＝２ｎｃｏΛ 或长周期光栅公式λ ＝ （ｎｃｏ －ｎｃｌ）Λ（其中λ为光栅中心波长，ｎｃｏ为纤芯折射率，ｎｃｌ为包层折射率，Λ为光栅间距），光纤光栅型传感器 利用环境物理量变化直接引起光栅间距的变化、间接引起反射峰位漂移的原理进行传感。传统的光纤光栅 传感器已成功应用于桥梁、建筑、道路等领域的监测，但因存在对温度、应力等外界参量交叉敏感以及高温不 稳定问题，在某些领域的应用受到一定限制。ＰＣＦ高温稳定性较普通光纤好，且可以通过改变结构参数、气 孔镀膜或者填充其他物质等方法降低多参量交叉敏感的影响。随着光纤光栅刻写工艺的成熟，关于光纤光 栅型 ＰＣＦ传感器的研究有望取得更大进展。 ２０１２年，Ｚｈｅｎｇ等［５２］利用二氧化碳激光器于 ＰＣＦ内部刻写长周期光栅，并通过静电自组装沉积技术在 光纤气孔内表面镀聚烯丙基胺盐酸盐（ＰＡＨ＋ ）／聚丙烯酸（ＰＡＡ－ ）双层纳米膜，当环境湿度由２２％提高至 ２９％时，该传感器具有０．０７ｎｍ－１的共振波长漂移。２０１４年，Ｎａｅｅｍ 等［５３］在两段相同长度的纤芯掺锗实芯 ０７０００６－８
54.070006(2017 激光与光电子学进展 www.opticsjoural.net PC下上利用相位掩模技术刻写光栅，刻写完毕后在其中一段C下气孔中填充乙醇并将两段光纤进行熔接 制成了一种可同时测量张力及温度的PC℉光枥型传感器，张力、温度分辨率分别为95.26e和4.37℃。填 充乙醇后两段PC℉的温度灵敏度不同，而张力灵敏度相近，利用传输矩阵法对数据进行处理，得到单传感参 量，从而克服交叉敏感向题。同年，Liu等在1MA-10PCF上刻写长周期光栅，如图12所示，其原理是利 用飞秒激光将半边空气孔选择性熔塌以形成非对称结构，该过程使得光周期性地泄漏到包层再耦合到纤芯 中。该PCF光栅的温度灵敏度为0.0105nm/℃，折射率灵敏度为725nm/RIU ,应变灵敏度 86X10n,并且包层非对称结构的存在使得南率灵敏度高达1,12nmm,2015年.adieice心等0 采用电弧放电法制备了一种长周期P℃℉光橱，并通过测量共振波长漂移及衰减带深度变化来研究其在不同 的应力，温度，曲率和折射案等参量下的传感特性：研究发现PCF光橱温度灵敏度显著低于普通单模光纤长 周期光纤光概的温度灵敏度，且应力灵敏度更高，对于曲率、折射率的变化则几乎没有响应 由于制备光纤的材料（如熔融石英等）的线膨胀系数或弹性模量在一定范围内近似为定值，光栅间距 温度或应力等物理量近似呈线性变化，所以PC℉光橱型传感器的优势在于线性度非常好，可用于多种环境 物理量的测量，并且借助解调技术可以实现分布式传感，但同样也存在测量灵敏度相对较低的问题，且目前 无法解决多参量交叉影响的间题 (a) 。 380m 图12飞秒藏光刻写的长周期PCF光帮。()SEM照片：(b)选择性熔区坡节图；(c)侧向光糖周期 Fg.12 ong-period PCF grating written by femt (b)detailed image of 4结束语 近年来随若PC℉制作工艺的不断成熟，其在传感领域也受到越来越多的关注。PCF具有一些不同于普 通光纤的新特性，其沿长度方向分布的多孔结构允许气体、液体流入，在生物化学传感方面具有独特优势，光 纤内表面镀膜激发表面等高子体共振或表面增强拉曼散射现象也是一大研究热点。PC℉传感器诞生至今 时间还不太长，技术仍不够成熟，需要着重解决的问题及发展的方向主要有： 1)简化气体、液体或纳米材料填充于PC℉内部的复杂度。PC℉的独特优势在于多孔结构允许物质进 人内部，以实现与待测物质充分作用或光纤性能的改进。日前在实验室阶段已能实现材料或待测物填充，但 步骤繁琐且效奉不高，并且较难对某些孔进行选择性填充，因此必须找到快速且高效的填充方法 2)发展在PC℉内部或表面涂覆均匀，稳定且重复性好的镀膜技术。目前的镀膜技术重复性差，不能 证每次镀膜的长度，厚度及均匀性完全相同，降低了传感器的性能和重复性，限制了PCF-SPR,PCF-SERS 等传感器的商业化应用 3)分发挥PC下的优是特性，探索新传威机理以扩大应用带同提升传成性能。PC下的许多持酱 未能很好地与传感结合，可在双折射、色散调控，粒子传输等方面进行更多探索。同时各种传感机理之间可 以相互补充，在同一传感器上结合多种传感类型，如干涉-光彻型、干涉吸收型、光荧光型等，能够实观多 参量同时检测并提升传感性能。 4)提高现有PCF传感器的灵敏度、快速珀应性、抗干扰性及可币复性等能力。日前大多数PC下传成器 070006- 1994-2018 China Academie 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 ＰＣＦ上利用相位掩模技术刻写光栅，刻写完毕后在其中一段 ＰＣＦ气孔中填充乙醇并将两段光纤进行熔接， 制成了一种可同时测量张力及温度的ＰＣＦ光栅型传感器，张力、温度分辨率分别为９５．２６με和４．３７℃。填 充乙醇后两段 ＰＣＦ的温度灵敏度不同，而张力灵敏度相近，利用传输矩阵法对数据进行处理，得到单传感参 量，从而克服交叉敏感问题。同年，Ｌｉｕ等［５４］在 ＬＭＡ－１０ＰＣＦ上刻写长周期光栅，如图１２所示，其原理是利 用飞秒激光将半边空气孔选择性熔塌以形成非对称结构，该过程使得光周期性地泄漏到包层再耦合到纤芯 中。该 ＰＣＦ 光 栅 的 温 度 灵 敏 度 为 ０．０１０５ ｎｍ／℃，折 射 率 灵 敏 度 为 ７２５ ｎｍ／ＲＩＵ，应 变 灵 敏 度 为 １．８６×１０－３ｎｍ／με，并且包层非对称结构的存在使得曲率灵敏度高达１．１２ｎｍ·ｍ。２０１５年，Ｉａｄｉｃｉｃｃｏ等［５５］ 采用电弧放电法制备了一种长周期 ＰＣＦ光栅，并通过测量共振波长漂移及衰减带深度变化来研究其在不同 的应力、温度、曲率和折射率等参量下的传感特性；研究发现 ＰＣＦ光栅温度灵敏度显著低于普通单模光纤长 周期光纤光栅的温度灵敏度，且应力灵敏度更高，对于曲率、折射率的变化则几乎没有响应。 由于制备光纤的材料（如熔融石英等）的线膨胀系数或弹性模量在一定范围内近似为定值，光栅间距随 温度或应力等物理量近似呈线性变化，所以 ＰＣＦ光栅型传感器的优势在于线性度非常好，可用于多种环境 物理量的测量，并且借助解调技术可以实现分布式传感，但同样也存在测量灵敏度相对较低的问题，且目前 无法解决多参量交叉影响的问题。 图１２ 飞秒激光刻写的长周期 ＰＣＦ光栅。（ａ）ＳＥＭ 照片；（ｂ）选择性熔塌区域细节图；（ｃ）侧向光栅周期图 Ｆｉｇ．１２ Ｌｏｎｇ－ｐｅｒｉｏｄＰＣＦｇｒａｔｉｎｇｗｒｉｔｔｅｎｂｙｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒ．（ａ）ＳＥＭｉｍａｇｅ； （ｂ）ｄｅｔａｉｌｅｄｉｍａｇｅｏｆｓｅｌｅｃｔｉｖｅｍｅｌｔｉｎｇｒｅｇｉｏｎ；（ｃ）ｌａｔｅｒａｌｉｍａｇｅｏｆｇｒａｔｉｎｇｐｅｒｉｏｄ ４ 结束语 近年来随着 ＰＣＦ制作工艺的不断成熟，其在传感领域也受到越来越多的关注。ＰＣＦ具有一些不同于普 通光纤的新特性，其沿长度方向分布的多孔结构允许气体、液体流入，在生物化学传感方面具有独特优势，光 纤内表面镀膜激发表面等离子体共振或表面增强拉曼散射现象也是一大研究热点。ＰＣＦ传感器诞生至今 时间还不太长，技术仍不够成熟，需要着重解决的问题及发展的方向主要有： １）简化气体、液体或纳米材料填充于 ＰＣＦ内部的复杂度。ＰＣＦ的独特优势在于多孔结构允许物质进 入内部，以实现与待测物质充分作用或光纤性能的改进。目前在实验室阶段已能实现材料或待测物填充，但 步骤繁琐且效率不高，并且较难对某些孔进行选择性填充，因此必须找到快速且高效的填充方法。 ２）发展在 ＰＣＦ内部或表面涂覆均匀、稳定且重复性好的镀膜技术。目前的镀膜技术重复性差，不能保 证每次镀膜的长度、厚度及均匀性完全相同，降低了传感器的性能和重复性，限制了 ＰＣＦ－ＳＰＲ、ＰＣＦ－ＳＥＲＳ 等传感器的商业化应用。 ３）充分发挥 ＰＣＦ的优异特性，探索新型传感机理以扩大应用范围、提升传感性能。ＰＣＦ的许多特性尚 未能很好地与传感结合，可在双折射、色散调控、粒子传输等方面进行更多探索。同时各种传感机理之间可 以相互补充，在同一传感器上结合多种传感类型，如干涉－光栅型、干涉－吸收型、光栅－荧光型等，能够实现多 参量同时检测并提升传感性能。 ４）提高现有ＰＣＦ传感器的灵敏度、快速响应性、抗干扰性及可重复性等能力。目前大多数ＰＣＦ传感器 ０７０００６－９
54.07006(2017 激光与光电子学进展 www.opticsjoumal.net 仍处于实验室阶段，且其性能与稳定性仍需进一步提高，除了对传感器参数进行优化外，还可通过预制棒材 料掺杂、新型PC℉结构设计等途径从源头进行性能改进。 5)进行分布式传感研究。目前PCF传感多局限在局部小范围内，若能像目前已有的光纤光棚或光 布里渊传感器一样实现长距离分布式传感，将可显著提升P℃℉传感器的应用价值。有望率先实现分布式传 感的PC下传感器有光棚型和倏逝波气体吸收型等。 6)进行网路化传感研究。目前PC传感器多用于独立或少量参量的测量，未来可将多种传感器连成 网络，利用复用技术将各个传感器得到的数据通过光纤网路会聚到检测系统，在实现多参量传感的同时简化 系统、隆低成本 7)进行智能化传感研究。物联网技术是中国战略性新兴产业的重要组成部分，而传感器是影响物联网 发展的4个最主要技术之 参考文献 [1]Knight J.Photonic crystal fibres[]]Nature.2003.424(6950):847-851 [2]Russell P.Photonie erystal fibers[J]Science.2003.99(5605):358-362 [3]Russell P.Photonic-erystal fibers[]Journal of Lightwave Technology.2006.24(12):5729-2749. Wang YM.Zhao YH.NelsonJSal.Ultrahigh-resolution optical coherence tomography by broadband continuum generation from a photonic crystal fiber[]Optics Letters.2003.28(3):182-184. [5]Humbert G.Wadsworth WJ.Leon-Sava S G.al.Supercontinuum generation system for optical coherence omography based on tapered photonie crystal fibre[J]Optics Express.2006.14(4):1596-1603. [6 Saitoh K.Koshiba M.Highly nonlinear dispersioflattened photonie erystal fibers for supercontinuum generation in telecommunication windowrI1 Opties Express.2004.12(10).2027-2032. [7]Ni Y.Zhang L.An Leal.DuaFcore photonic crystal fiber for dispersion comper nsation I IEEE Photonies Technology1 etters%.2004.16(6）.1516-1518 [8]Gerome F.Auguste JL.Blondy JM.Design of dispersion-compensating fibers based on a duaconcentriccore photonie erystal fiber[]]Opties Letters.2004.29(23):2725-2727. [9Schmidt OA.Garbos MK.Euser TG Reconfigurable optothermal microparticle trap in air-filled hollow-cor photonic crystal fiber[]Physical Review Letters.2012.109(2):024502. [10]Russell P.Culverhouse D.Farahi F.Theory of forward stimulated Brillouin scattering in dual-mode single-core fibers [J]IEEE Journal of Quantum Electronics.1991.27(3):836-842. [11]Knight J C.Birks T A.Russell P,etal.Allsilica single-mode optical fiber with photonie erystal cladding[J].Optics 1.etters,1996.21(19):1547-1549. [12]Knight J C.Broeng J.Birks T A.et al.Photonic band gap guidance in optical fibers[J7.Science.1998.282(5393 14761478. [13]Liu Deming.Sun Jungiang.Lu Ping.etal.Fiber optics [M]Beijing:Science Press,2008:213-216 刘德明，孙军强，鲁平，等.光纤光学M]北京：科学出阪社，2008,213-216. [14]Rota-Rodrigo S.Ana M R P.Bravo M.An ireflection strain sensing head based on a Hi-Bi photonie crystal he「11.3ms0s.2013.137.8095-8102 [15]Qureshi KK.Liu Z Y.Tamb H Y.etal.A strain sensor based on imline fiber Mach-Zehnder interferometer in twim core photonie crystal fibertJ Opties Communications.2013,309(22):68-70. [16]Ji Yushen.Fu Guangwei.Fu Xinghu Sensing characteristics of Mach-Zehnder interferometer based on the fused tapered photonic crystal fiber sensor[]Acta Optica Sinica.2013.33(10):1006005. 纪玉中.付广伟，付兴虎，等。熔融拉籍型光子晶体光纤马赫曾德尔干涉仪传感特性们1光学学报，013.33(10) 1006005 [17]Noor M.Raian G.Peng G D.Microstructured fiber sealed-void interferometric humidity sensor[1.IEEE Sensor 0 urnal.2014,14(4):115-1159. Peng W.ZhangP.Liu YTemperature characteristics ofa cormode interferometer based 070006-10 1994-018 China Aeademie 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 仍处于实验室阶段，且其性能与稳定性仍需进一步提高，除了对传感器参数进行优化外，还可通过预制棒材 料掺杂、新型 ＰＣＦ结构设计等途径从源头进行性能改进。 ５）进行分布式传感研究。目前 ＰＣＦ传感多局限在局部小范围内，若能像目前已有的光纤光栅或光纤 布里渊传感器一样实现长距离分布式传感，将可显著提升 ＰＣＦ传感器的应用价值。有望率先实现分布式传 感的 ＰＣＦ传感器有光栅型和倏逝波气体吸收型等。 ６）进行网络化传感研究。目前 ＰＣＦ传感器多用于独立或少量参量的测量，未来可将多种传感器连成 网络，利用复用技术将各个传感器得到的数据通过光纤网络会聚到检测系统，在实现多参量传感的同时简化 系统、降低成本。 ７）进行智能化传感研究。物联网技术是中国战略性新兴产业的重要组成部分，而传感器是影响物联网 发展的４个最主要技术之一。基于计算机智能技术实现多参量、多测点、长距离、自动化传感，将 ＰＣＦ传感 技术充分融入物联网是很有前途的发展方向。 参 考 文 献 ［１］ ＫｎｉｇｈｔＪ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｒｅｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，２００３，４２４（６９５０）：８４７－８５１． ［２］ ＲｕｓｓｅｌｌＰ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００３，２９９（５６０５）：３５８－３６２． ［３］ ＲｕｓｓｅｌｌＰ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃ－ｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，２４（１２）：５７２９－２７４９． ［４］ ＷａｎｇＹ Ｍ，ＺｈａｏＹ Ｈ，ＮｅｌｓｏｎＪＳ，ｅｔａｌ．Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｂｙｂｒｏａｄｂａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｒｏｍａｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００３，２８（３）：１８２－１８４． ［５］ ＨｕｍｂｅｒｔＧ， Ｗａｄｓｗｏｒｔｈ Ｗ Ｊ，Ｌｅｏｎ－Ｓａｖａ Ｓ Ｇ，ｅｔａｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｂａｓｅｄｏｎｔａｐｅｒｅｄｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｒｅ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，２００６，１４（４）：１５９６－１６０３． ［６］ ＳａｉｔｏｈＫ，ＫｏｓｈｉｂａＭ．Ｈｉｇｈｌｙｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ－ｆｌａｔｔｅｎｅｄｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒｓｆｏｒｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｉｎａ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｎｄｏｗ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，２００４，１２（１０）：２０２７－２０３２． ［７］ ＮｉＹ，Ｚｈａｎｇ Ｌ，Ａｎ Ｌ，ｅｔａｌ．Ｄｕａｌ－ｃｏｒｅｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒｆｏｒｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，２００４，１６（６）：１５１６－１５１８． ［８］ ＧéｒｏｍｅＦ，ＡｕｇｕｓｔｅＪＬ，ＢｌｏｎｄｙＪＭ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ－ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇｆｉｂｅｒｓｂａｓｅｄｏｎａｄｕａｌ－ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ－ｃｏｒｅｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００４，２９（２３）：２７２５－２７２７． ［９］ ＳｃｈｍｉｄｔＯ Ａ，ＧａｒｂｏｓＭ Ｋ，ＥｕｓｅｒＴ Ｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｏｐｔｏｔｈｅｒｍａｌｍｉｃｒｏｐａｒｔｉｃｌｅｔｒａｐｉｎａｉｒ－ｆｉｌｌｅｄｈｏｌｌｏｗ－ｃｏｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，２０１２，１０９（２）：０２４５０２． ［１０］ ＲｕｓｓｅｌｌＰ，ＣｕｌｖｅｒｈｏｕｓｅＤ，ＦａｒａｈｉＦ．ＴｈｅｏｒｙｏｆｆｏｒｗａｒｄｓｔｉｍｕｌａｔｅｄＢｒｉｌｌｏｕｉｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｉｎｄｕａｌ－ｍｏｄｅｓｉｎｇｌｅ－ｃｏｒｅｆｉｂｅｒｓ ［Ｊ］．ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９１，２７（３）：８３６－８４２． ［１１］ ＫｎｉｇｈｔＪＣ，ＢｉｒｋｓＴＡ，ＲｕｓｓｅｌｌＰ，ｅｔａｌ．Ａｌｌ－ｓｉｌｉｃａｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｗｉｔｈｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｃｌａｄｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９６，２１（１９）：１５４７－１５４９． ［１２］ ＫｎｉｇｈｔＪＣ，ＢｒｏｅｎｇＪ，ＢｉｒｋｓＴＡ，ｅｔａｌ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐｇｕｉｄａｎｃｅｉｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９８，２８２（５３９３）： １４７６－１４７８． ［１３］ ＬｉｕＤｅｍｉｎｇ，ＳｕｎＪｕｎｑｉａｎｇ，ＬｕＰｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＳｃｉｅｎｃｅＰｒｅｓｓ，２００８：２１３－２１６． 刘德明，孙军强，鲁 平，等．光纤光学 ［Ｍ］．北京：科学出版社，２００８：２１３－２１６． ［１４］ Ｒｏｔａ－ＲｏｄｒｉｇｏＳ，ＡｎａＭ ＲＰ，Ｂｒａｖｏ Ｍ ，ｅｔａｌ．Ａｎｉｎ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｉｎｇｈｅａｄｂａｓｅｄｏｎａＨｉ－Ｂｉｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ，２０１３，１３（７）：８０９５－８１０２． ［１５］ ＱｕｒｅｓｈｉＫ Ｋ，ＬｉｕＺＹ，ＴａｍｂＨ Ｙ，ｅｔａｌ．Ａｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｉｎ－ｌｉｎｅｆｉｂｅｒＭａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｉｎｔｗｉｎ－ ｃｏｒｅｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１３，３０９（２２）：６８－７０． ［１６］ ＪｉＹｕｓｈｅｎ，ＦｕＧｕａｎｇｗｅｉ，ＦｕＸｉｎｇｈｕ，ｅｔａｌ．ＳｅｎｓｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＭａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｕｓｅｄ ｔａｐｅｒｅｄｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＡｃｔａＯｐｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１３，３３（１０）：１００６００５． 纪玉申，付广伟，付兴虎，等．熔融拉锥型光子晶体光纤马赫－曾德尔干涉仪传感特性［Ｊ］．光学学报，２０１３，３３（１０）： １００６００５． ［１７］ ＮｏｏｒＭ，ＲａｊａｎＧ，ＰｅｎｇＧ Ｄ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｆｉｂｅｒｓｅａｌｅｄ－ｖｏｉｄｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１４，１４（４）：１１５４－１１５９． ［１８］ ＰｅｎｇＷ，ＺｈａｎｇＸ Ｐ，ＬｉｕＹ，ｅｔａｌ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｃｏｒｅ－ｍｏｄｅｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｂａｓｅｄｏｎａｄｕａｌ－ｃｏｒｅ ０７０００６－１０