多参数维度光纤传感系统的优化设计

传统光纤传感器通常只能对环境的温度、湿度、应力、应变、弯曲等一个或少数几个物理量的改变作出响应。而随着光纤传感器应用场景的复杂化，传统的针对特定物理参量进行响应的光纤传感器已经难以满足应用的要求。为了实现多参量多维度的传感，一种途径是采用多种类型的光纤传感器共同使用，分别监测对应的物理参量。然而，这种方法极大地增加了光纤传感系统的复杂度和成本。为了满足特殊场景环境监测应用的复杂需求，各种各样的可用于多参量监测的微结构光纤传感器及其传感系统应运而生。

下面将分类介绍多参量维度光纤传感器的原理及研究设计。

1）传统光纤光栅传感器

近几年，基于传统具有芯包层结构的全固态光纤（芯层折射率高于包层折射率）的光纤光栅传感器成为国内外的研究热点。一般的光纤光栅传感器都是通过对布拉格反射波长的漂移量进行测量来实现对被测量的检测。此种传感器可以很方便地构成分布式的结构，其灵敏度相对比较高，能够代替其他结构类型的光纤传感器，可以实现对大型构件的实时监测，在一根光纤中可以进行多点测量。目前国内外对其进行研究的范围主要包括：对传感网络技术、封装技术等的研究；对高灵敏度、小型化、低成本的探测技术的研究；对能够同时感测温度变化及应变的传感器的研究。

以新加坡机场的光纤光栅传感器系统为例来介绍应用于温度和应力监测的分布式传感系统。由于光纤光栅传感器的灵敏度较高，在该机场的分布式光纤光栅传感器系统中，相邻光栅的间隔设为7 m。对于短周期的光纤光栅的制作，可以通过掩膜版以及紫外光照射形成折射率的周期性排布来实现，并通过掺杂稀土元素等提升光敏特性，进而提升传感系统的灵敏度。此种光纤光栅传感器可以同时监测温度和应力的变化，其对应的响应参量均为光纤光栅的谐振反射波长变化。应力的改变拉伸或者压缩了光纤光栅，进而改变光纤光栅的周期，相应的谐振反射波长也发生变化，实现对应力的监测。温度的改变将使光纤光栅导光的折射率发生变化，进而改变光栅相应的谐振反射波长，从而实现对温度的监测。

此外，基于传统光纤的应用于湿度传感的光纤传感器也是采用光纤光栅结构，通过光栅结构、掺杂元素等的改变使得结构能够对湿度进行响应。

2）微结构（光子晶体）光纤

微结构光纤，也可称为光子晶体光纤，是将微米级甚至纳米级微结构引入光纤剖面设计中，使得光纤具有不同于传统光纤的导光特性。传统的光子晶体光纤是在圆柱形石英材料中加入阵列分布的空气孔，光纤的中心为实芯的非孔洞区，形成纤芯，纤芯周围的多孔结构形成光纤的包层。由空气孔排列组成的光纤包层的有效折射率低于纤芯的有效折射率。光子晶体光纤的折射率分布也满足光波导的基本条件——全内反射条件，因而光波被束缚在芯层里。

不同的光纤结构使得光子晶体光纤具有各种不同的优良特性，比如非常大的数值孔径、单模工作、低弯曲损耗、极小或者极大的非线性、空气引导、空气孔中填充金属或者液晶等材料的可能性、高双折射特性、灵活的色散操控能力，等等。此外，阵列排布的空气孔也可使光纤针对不同波长的光可以工作在不同的模式中，如光栅区、布拉格反射区、禁带区等，使得光纤可以应用在不同的场景中。(www.xing528.com)

本研究组17年前即开始研究光子晶体光纤，见证了光子晶体光纤从最开始钻石般昂贵的价格到现如今价格相对便宜的过程。最初的光子晶体光纤采用阵列规则排布的空气孔，改变空气孔的尺寸及排布方式、将金属或不同种类的液晶等一些具有特殊性质的材料灌入光纤中间的空气孔中，可使得光子晶体光纤具有各种不同的响应特性。

3）液晶注入型光子晶体光纤传感器

在传统的光子晶体光纤的空气孔中注入不同种类的液晶，即形成液晶注入型光子晶体光纤。因为不同种类的液晶具有不同的性质，环境温度、湿度、应力等参量的改变使得液晶的晶向等参量产生不同的响应，所以可以用于多种参量、多种维度的传感应用中。

液晶注入型光子晶体光纤同时结合了光子晶体光纤和液晶材料的优势。然而，由于光子晶体光纤的空气孔尺寸较小，如何将液晶灌入到空气孔当中成为一个需要解决的问题。光子晶体光纤中很小的空气孔会起到一种毛细管的作用，将光子晶体光纤放入液晶材料中，由于毛细管现象的存在，简化了液晶注入型光子晶体光纤的制作难度，无须通过加负气压等方法即可将液晶材料充满光纤中的空气孔。

液晶注入型光子晶体光纤具有许多不同的特性，着重介绍以下两种优良特性。

（1）不同的光谱响应。液晶注入型光子晶体光纤存在吸收峰，通过注入一束波长在吸收峰内的光可以升高液晶的温度，进而改变液晶的相位等特性。吸光进而产热为光控光提供了一种可能性。

（2）高双折射特性。液晶注入型光子晶体光纤与传统光纤不同，由于液晶材料的存在，该光纤针对e光和o光具有不同的光谱响应，在不同的波长范围内，光纤仅支持一种偏振光的传输。此外，在特定波长范围内，该光纤还具有极强的双折射特性，相较于市面上传统的光纤，其双折射效率提高了两个数量级。高双折射特性直接将偏振维度也引入到光纤传感中，为监测环境的更多物理量提供了可能性。

以温度传感为例，在光子晶体光纤的空气孔中选择性地注入液晶，可以形成两个纤芯，只要改变光纤的温度，两根纤芯中的光功率比也会随之发生变化，由此可以对环境的温度进行监测。