表面等离子体波共振技术的研究始于20世纪60年代,起初只是棱镜表面的等离子体波共振,1993年等人Jorgenson[96一98J等人提出了两种基于光纤的表面等离子体(SPR)传感装置,使得光纤表面等离子体传感技术得以实际应用。随着近几年微结构光纤研究的不断深入,2004年以后表面等离子体技术被使用到微结构光纤中。

对于光纤表面等离子体增强应用来说,最困难的是光纤的模式与金属膜之间的模式匹配,传统光纤通过光纤的高阶模与金属膜实现模式匹配,为了让高阶模更好的祸合入金属膜,光纤包层被剥去,或者在光纤包层处刻上一层光栅。微结构光纤与传统光纤不同之处是微结构光纤的模式折射率可以用中心的小孔或者瓣形结构来降低,当两者匹配时,传播光与金属膜之间的祸合也可以通过合理设计镀膜位置来完成,极大地提高了祸合效率,并且由于微结构光纤纤芯很粗,在表面等离子体传感应用具有独特的优势。

微结构光纤在传感器方面有很多应用,由于瓣形微结构光纤是很新的一种光纤,目前还没有人报道在传感方面的应用,故此处只介绍多孔微结构光纤在传感中的常见的几个应用。

(1)多孔微结构光纤弯曲传感器:

一方面,当光纤受到弯曲作用时,弯曲损耗迅速增加,由透射光光强的变化可以测试出光纤的弯曲半径。丹麦的Knudsen、Erik等人使用此方法进行弯曲损耗的测试。另一方面,对于双芯或多芯的多孔微结构光纤,当它受到弯曲作用时,不同纤芯的光会产生光程差,从而导致干涉,通过测量干涉光就能够得到弯曲半径的大小。英国的w.N.MaePherson、M.J.oander等人就利用此方法实现了双芯光纤弯曲度的测量,其弯曲分辨率为170 urad,相位分辨率为22urad。这种光纤中的两个纤芯处于同一测量环境,抗温度影响能力较强,应用方便灵活,但对光纤本身结构要求较高。

(2)多孔微结构光纤拉伸传感器:

一方面,多孔微结构光纤在拉力作用下,光纤的结构参数会发生变化,色散特性也会随之变化,通过测量色散的变化情况就能够得到其长度的变化情况。另一方面,在传统光纤中,引入一个参考臂,当拉力作用于光纤时,便会和参考臂之间产生一个光程差,在汇合处发生干涉。通过测量干涉,便能得到拉伸长度。这种方法的相位灵敏度可达90radkm。多孔微结构光纤也可使用这种方法,相对与传统光纤,微结构光纤更容易在形变过程中保持单模,从而更好的满足干涉条件

(3)多孔微结构光纤气体或液体传感器:

在空气孔中冲入气体时,微结构光纤中传输的光强度会发生变化,通过测量输出光强的变化就能够测出光纤中充入的气体种类。香港理工大学的YL.Hoo和W.Jin等人利用这种方法测试了光纤中的气体。当空气孔中充入包含某种介质的液体时,光纤出射端的光谱会发生改变,通过与不含介质的液体所得到的光谱作对比,可以得到包含的介质种类和浓度。这种方法可以用于液体污染和生物分子检测当中。

(4)多孔微结构光纤超连续谱应用:

1999年Ranka等人采用PcF产生了超连续光谱,并研究了PcF中产生超连续光谱的机理,大多数观点把PCF中超连续光谱的产生归功于自相位调制(SPM)和四波混频(FWM)。当强激光脉冲与非线性介质发生作用时,各种不同频率相互作用就产生了新频率的激光,这种相互作用越强,产生的频谱展宽越宽,从而生成一定波长范围的宽带光谱。超连续光谱的宽度由非线性介质的色散和输入激光脉冲的强度决定。为了产生较宽的超连续光谱,通常将非线性光纤的负色散设计在注入脉冲波长处。

(5)多孔微结构光纤光栅传感器:

1999年B.J.Eggleton等人首次报道在光子晶体光纤上写入光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅以来,光子晶体光纤光栅的制备方法及理论分析正成为人们研究的热点。与传统的光纤光栅相比,PCFG具有如下特性:二维或多维光子晶体、设计自由度大(如单芯或多芯、空气孔可填充介质等)、波长调谐范围宽(可达IO0nm以上)、可进行多参量、多功能感测等。PCF及PCFG的出现,将促进并产生全新的性能优异的新一代光纤光子器件,由此可能导致现代光纤技术的新跨越。

微结构光纤突出的优势是具有超大单模模式面积,单位面积承受的激光功率很低,因而在高功率传输时,微结构光纤中的光纤材料的非线性远远小于常规单模光纤,可用于大功率能量传输,在短脉冲能量传输中有很大的应用。2004年,英国Bath大学的F.Luan等人成功地用sm长的包层充氮的空心、光子晶体光纤中传输了波长为800nm、脉宽小于30Ofs、峰值功率为2.2MW、重复频率为5kHz的孤子脉冲,最低损耗为0.27dB/m