光纤传感器综述之微纳光纤

光纤传感器研究综述孙放北京工业大学应用数理学院 030611班指导教师：周劲峰摘要论述了光纤传感器国内外发展现状以及研究动向。

关键词光纤，传感器一、引言20世纪以来，集成电路、计算机技术飞速发展，信息摄取装置——传感器和传感技术却成了限制信息技术的瓶颈。

因此，80年代以来，传感器和传感技术成为了国际研究的热点之一，各国对此领域的投入越发高涨，例如：（1）美国国防部将传感器技术视为20项关键技术之一；（2）日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为6大核心枝术之一；（3）德国视军用传感器为优先发展技术；（4）英、法等国对传感器的开发投资逐年升级；（5）原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。

传感器技术之所以如此受到重视并获得极为迅速发展的原因是：（1）微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展，形成了推动获得信息的传感器技术发展的动力。

（2）广阔的市场与社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力，2000年，世界传感器市场总额达700亿美元。

光通信是本世纪在科学技术领域取得的最伟大的成就之一，它以光子为信息载体，为现代化社会提供了一种最优秀的信息交换与传输手段。

因此，光通信的成功，促进了光传感的兴起与发展。

“光子学与光子技术发展战略报告”是国家自然科学基金委员会政策局在“九五”优先资助领域的基础上安排的软课题，1997年的形成的报告就指出：在下个世纪的光子产业上，光纤传感将与光纤通信平分市场，并逐步超过后者。

二、光纤传感器的发展光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。

每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。

1、国外光纤传感器发展现状美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。

微纳加工技术下光纤传感器的研究共3篇微纳加工技术下光纤传感器的研究1微纳加工技术下光纤传感器的研究光纤传感器是一种测量物理量（如温度、压力、应力等）的传感器，它是利用光纤的传输和反射特性，通过光纤与被测量之物接触时造成之光学现象变化，通过检测光的强度、频率、相位、偏振方向等参数的变化判断物理量的大小。

光纤传感器有着测量范围宽、响应速度快、可靠性高、抗电磁干扰好等优点，在天然气、化工、航空航天、制造业等领域广泛应用。

而微纳加工技术则是指在微米（10^-6m）甚至纳米级别下加工制造器件的一种制造技术，利用光刻、离子注入、物理蒸镀等方法进行制造。

本文将介绍微纳加工技术下的光纤传感器工艺原理、制造流程及应用。

一、光纤传感器的工艺原理光纤传感器有着多种不同类型，但工艺原理相同。

其中最常用的类型有光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating，FBG）、短周期光栅（Short-Period Grating，SPG）、长周期光栅（Long-Period Grating，LPG）、表面等离子体传感器（Surface Plasmon Resonance，SPR）等。

以FBG为例，光纤光栅传感器是光纤传感器领域最重要的成果之一，其基本原理是利用光的波粒二象性，将周期性折射率变化的光纤称为光纤光栅，用来测量物理量的光学传感器。

据光栅的特殊光学性质，将光栅光强的过程看作一个光子间的耦合过程，当光栅与光场之间发生光子耦合时，由于光学现象结构的影响，光强的波长分布发生了明显的变化。

根据布拉格光栅的原理，在光栅中会产生光的布拉格反射和光的透射现象。

当被测量物理量作用于光栅时，使光栅周期或编号发生变化，从而导致光学传输特性发生改变，从而能通过检测光强的变化来确定被测量物理量的值。

二、光纤传感器的制造流程由于光纤传感器精度要求较高，需要采用微纳加工技术进行制造。

微纳加工技术适用于加工微米、纳米级别的物品，并具有加工速度快、成品良好、容易控制等优点。

光学传感器中的微纳加工技术研究随着科技的不断发展，传感器技术也得到了快速的发展。

光学传感器作为一种新型传感器，广泛应用于医疗、环保、机器人和智能家居等领域。

而光学传感器中的微纳加工技术则成为了光学传感器发展的重要支撑。

一、光学传感器简介光学传感器是以光学现象为基础的传感器，其能够将光能转化为传感信号。

光学传感器的主要工作原理就是根据光的传播、反射、折射、散射、吸收等特性来实现对物体的探测和测量。

与传统传感器相比，光学传感器具有响应速度快、精度高、环境适应性强、结构简单、易于集成等优点。

光学传感器的研究和应用领域主要包括光电子学、计算机视觉、机器人、生物医学等多方面。

二、微纳加工技术在光学传感器中的应用微纳加工技术是指利用纳米技术、微加工技术等手段对物质进行制备、加工、组装和表征的一种技术。

其主要特点是高精度、高效率、高可靠性和绿色环保。

在光学传感器中，微纳加工技术的应用主要包括以下几个方面：1. 光学波导光学波导是指将光线引导到特定方向传播的设备。

其中，微纳加工技术被应用到光学波导的制造中，主要包括微细加工和微纳制造技术。

这些技术可以制作出光学波导芯片、光纤连接器等光学元器件。

2. 光电子制造光电子技术是指将光电子学和微电子学结合起来，将光学元器件和电子元器件互相配合，实现光学信号转换和控制。

在光电子制造中，微纳加工技术被广泛应用于电击刻、电子束曝光、离子束刻蚀、激光加工等方面。

3. 光学显微镜制造光学显微镜是一种利用光学放大原理来观察微小样品的仪器，它在物理、生物等领域有着广泛的应用。

微纳加工技术在光学显微镜制造中扮演着重要角色，可以制造出较高清晰度、较大视野的显微镜。

4. 微机电传感微机电传感又称微机电系统传感，是一种将微机电组件与传感技术相结合的传感技术。

微纳加工技术在微机电传感中有着重要的应用，可以制造出体积小、结构精密、灵敏度高的传感器，如气体传感器、加速度传感器等。

三、微纳加工技术在光学传感器中的发展趋势随着科技的不断进步，微纳加工技术在光学传感器中的应用不断拓展和深化。

锥形微纳光纤传感器的优化设计锥形光纤在荧光传感领域应用广泛。

其中，由自由基光聚合法制成的锥形微纳光纤（PTOF）具有制造工艺灵活、耗能低的优点。

为了提高荧光收集效率，进而提高锥形微纳光纖传感器的灵敏度，文章在不同曝光时间和曝光功率下制作了不同尺寸的PTOFs作为传感头，对包埋在锥形尖端的荧光素进行荧光收集。

实验结果表明，25μW，5s下生成的PTOF有较好的荧光收集效率，约为端面切平光纤的9.6倍。

标签：PTOF;光纤传感;溶胶凝胶法;荧光收集特性锥形光纤具有倏逝波强度强和荧光收集效率高等优越特性[1，2]。

常用的制作锥形光纤的方法有化学腐蚀法、熔拉法及研磨法[3]。

2009年，R.Bachelot等在前人基础上通过自由基光聚合法在单模光纤末端形成聚合物微尖端[4]。

与其它制锥工艺相比，该方法相对简单，损耗低，对技术要求较低，更易于控制形状参数[4]。

制作PTOF过程中，光敏试剂被引发交联聚合反应时的曝光时间和曝光功率等对PTOF的形状有影响。

本文通过不同尺寸PTOF荧光收集效率的比较，对锥形微纳光纤传感器进行优化设计。

1 锥形微纳光纤的制作1.1 实验原理本实验在R.Bachelot[4]改进的光致聚合法制锥工艺基础上制备锥形光纤。

原理可表述为，在450nm到550nm之间某一波长的激光照射下，光敏试剂被引发交联聚合反应，进而在石英光纤端面形成可以看作纤芯延伸的聚合物尖端。

1.2 制作步骤首先配制光敏试剂。

配方如下：3.5937g多官能丙烯酸酯单体季戊四醇三丙烯酸酯，303ul染料敏化剂曙红-Y，0.0196g共引发剂甲基二乙醇胺。

混合上述试剂并在室温、1800rpm条件下水浴搅拌6h。

在25℃的暗室中制造PTOF。

端面切平光纤一端垂直浸入光敏试剂并匀速拉出，来自488nm 激光器的激发光通过衰减器衰减到微瓦水平，被40倍物镜耦合到光纤中，由纤芯到达光纤末端覆盖的试剂。

在PTOF制造过程中，使用光功率计调整到达光纤末端光的功率（曝光功率）;使用光学快门控制试剂的曝光时间。

微米纳米微结构光纤传感器的研究现状——论文翻译微米纳米微结构光纤传感器的研究现状摘要:介绍了最近发展起来的微米纳米微结构光纤传感器～特别是表面等离子体共振光纤传感器和光子晶体光纤传感器。

介绍了表面等离子共振传感器的原理～影响参量以及各种不同的结构。

同时介绍了不同类型的光子晶体光纤传感器和它们的应用。

关键字: 表面等离子共振传感器表面等离子振荡光子晶体光纤光纤传感器对光纤传感器的研究已经有很长一段时间了，从研究的角度看很多光纤传感技术已经趋于成熟，一些已经商业化了。

然而随着最近在表面等离子共振(SPR)和光子晶体光纤(PCF)技术上取得的巨大进展，微米结构和纳米结构的光纤传感器的研究引起了研究者巨大的兴趣。

这篇文章首先介绍SPR的原理和光纤SPR传感器的结构，影响其灵敏度的因素等;然后介绍不同类型的PCF传感器以及简单应用。

1. 表面等离子共振光纤传感器表面等离子共振现象应用在传感器系统中已经很长时间了。

光纤SPR传感器的发展始于上世纪90年代初。

尽管1990年就有文章提出用光纤作为SPR传感器的耦合器件，真正意义上用光纤作为传感器头部的光纤SPR传感器出现在1993年。

随后，光纤SPR传感器就得到了人们持续的关注和研究。

光纤SPR传感器可以探测外部折射率的变化，并且通过调整金属层和覆盖层的厚度等参数可以优化传感器的性能。

1.1 光纤表面等离子传感器的原理如图1所示，在金属和电介质或者空气的界面处，由于电子浓度的梯度分布，存在着自由电子的浓度振荡，当其与电磁波耦合时就会产生表面等离子振荡(SPPs)。

表面等离子体波(SPWs)沿着金属和电介质的界面向前传播。

由于表面正常电场成分的存在，只有TM模可以激发SPR。

SPPs的一个重要的特征就是在金属和电介质层的交界处，电场的振幅为最大值，在两边的材料内按照指数衰减，如图1(b)所示。

造成这个独特的特性的原因是对光来说，金、银、铜、铝等金属的介电常数是负的(金属的介电常数是复数，其实部是负数)，而电介质的介电常数是正的。

新型高灵敏度微纳光纤应变传感器夏亮;邢增善;余健辉;卢惠辉;关贺元;钟永春;陈哲【摘要】本文使用火焰熔融拉锥的方法,通过控制火焰的高度及拉锥速度,成功制备了具有微拱型渐变区的新型微纳光纤器件.理论计算表明,微拱型渐变区有利于激发出强度相当的高阶微纳光纤传输模式,从而增加了传输光谱中由模间干涉导致的透射谷的深度.实验表明,该新型微纳光纤器件透射谷深度达到18 dB,当轴向应变量增加时,透射谷向短波长方向移动,轴向应变灵敏度为-13.1 pm/με,比光纤光栅应变传感器提高一个数量级,是传统直线型微纳光纤灵敏度的3倍,线性度为99.15％.这种具有微拱型渐变区的微纳光纤器件具有灵敏度高、机械性能好以及便于与现有光纤系统集成等优点.并且结构简单,易于制备,可广泛应用于各种物理、化学和生物传感和探测领域.%A microfiber strain sensor with arched transition region was demonstrated. By controlling the flame size and tapering speed, a novel micro fiber with arched transition region was successfully fabricated. Considerable high order propagation modes of microfiber were excited by the arched transition region, resulting in increasing the depth of valley in the transmission spectrum of microfiber. The depth of the transmission valley is up to 18dB. Furthermore,when the axial strain increased, the position of the transmission valley was blue shift, the linearity is 99.15％and the axial strain sensitivity was -13.1 pm/με, which was on e order magnitude larger than that of traditional fiber strain sensors based on Bragg grating. This kind of microfiber with arched transition region has many advantages, such as high sensitivity, good mechanical performance, compatibility to traditional optical fiber systems, and easy to befabricated.It can be widely used in various physical, chemical and biological sensing and detection fields.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2017(044)011【总页数】7页(P1094-1100)【关键词】火焰熔融拉锥;光纤应变传感器;模间干涉;Rsoft仿真【作者】夏亮;邢增善;余健辉;卢惠辉;关贺元;钟永春;陈哲【作者单位】光电信息与传感技术广东省普通高校重点实验室(暨南大学),广州510632;暨南大学光电工程系,广州 510632;暨南大学光电工程系,广州 510632;广东省光纤传感与通信技术重点实验室(暨南大学),广州 510632;广东省光纤传感与通信技术重点实验室(暨南大学),广州 510632;光电信息与传感技术广东省普通高校重点实验室(暨南大学),广州 510632;暨南大学光电工程系,广州 510632;广东省光纤传感与通信技术重点实验室(暨南大学),广州 510632【正文语种】中文【中图分类】TN253;TP212随着建筑行业的迅速发展，桥梁、隧道、高楼大厦、大型水电工程、石油平台等工程日益增多。