摻液晶光子晶體光纖

在 PCF 包層空氣孔中填充液晶，利用液晶折射率容易受外界電場、溫度、磁場等物理環境影響的特性，進而改變光子晶體光纖導光特性以實現對環境的感測。

基本介紹

• 中文名：摻液晶光子晶體光纖
• 外文名：LiquidCrystal doped photonic crystal fiber

1光子晶體的概念及特徵

1987 年 Yablonovitch和 John分別獨立提出光子晶體（photonic crystal,PC）的概念，並預言在二維和三維周期性介電結構中存在光子帶隙。眾所周知，微電子學對於電流的精確控制是建立在半導體材料的能帶理論基礎上。電子禁帶是相當於一個能量帶，它實質上能起到限制電子穿過半導體的功能。電子禁帶主要取決禁帶里晶體的分子類型和晶體的分子結構。光子晶體中的光子運動規則等同固體晶格中的電子運動規則。在固體晶格中電子的勢能具有規律性，在電子能量呈帶狀構造的情況下能帶間允許存在電子能量不可取值的禁帶。但光子晶體由於折射率的規律變化，光子在其中運動時，光子的能量也呈現帶狀結構，帶與帶之間存在著光子禁帶。在光子禁帶內，光子晶體將反射入射方向上的所有偏振態的電磁波，不允許任何電磁波傳播模式，這就是光與物質相互之間作用地改變。在光子晶體中存在的光子禁帶和電子禁帶的性質類似，還是由晶體類型和晶體排列結構來決定。排列結構尤為重要，它能夠起到光子晶體的諸多性質變化的作用，比如晶體大小和形狀的改變，晶體排列的改變，晶體規律的改變能夠使光子晶體存在缺陷態，因為光子晶體能夠形成光子帶隙，所以在晶體大小和形狀、晶體排列、晶體規律等方面光子晶體通過改變自身的折射率達到改變傳輸性質，在以後的雷射器、光通訊、光學計算機等相關領域具有相當重要的套用前景與價值。

所謂的光子晶體就是折射率在空間周期性變化的介電結構，其變化周期為光波長數量級，如果光子晶體在幾何構形上僅具有一維周期性，那么它將形成一維光子晶體，光子禁帶將出現在此方向上，如果它在二維或三維均具有周期性，那么它將形成二維或三維光子晶體。

在我們如今生活的環境中同樣存在著天然的光子晶體結構，比如色彩斑斕的蝴蝶翅膀、五顏六色的蛋白石等，電子顯微鏡揭示它們由一些周期性微結構組成 由於在不同的方向不同頻率的光波被散射和透射不一樣 呈現出美麗的色彩 但它們沒有三維的光子帶隙光子帶隙的出現與光子晶體結構介質的連通性 介電常數 或折射率反差和填充比有關 條件是比較苛刻的 一般說介電常數反差越大得到光子帶隙可能性越大 製作具有完全光子帶隙的光子晶體無疑是一項巨大的挑戰。

光子晶體大多是用無機材料製作的 其基本出發點主要是人為構造的周期性結構所用材料有金剛石 Si、SiO2、GaAs、AlGaAs 等，另外還有一些半導體材料 在製作工藝上也大多採用在晶體上打孔或人為排布電介質。最近又有很多人提出很多新材料和新方法來製作光子晶體，這都使其實用性和可操作性有很大提高。

光子晶體光纖的分類

1992 年，光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）的概念首次被 Russell 提出，即在石英光纖中沿軸向呈一定規律性排列著空氣孔，其空氣孔的徑向大小是波長量級的。光子晶體光纖的結構其實是一個呈周期性的二維結構，當纖芯處缺少等量級的空氣孔時，結果是光子晶體光纖的周期性二維結構能夠產生缺陷，則光波就能夠局限在缺陷中傳輸。光子晶體光纖傳輸光波的機制主要有兩種，第一種是在全內反射的基礎上傳輸光波機制，這種光子晶體光纖我們稱其為全內反射（total internal reflection，TIR）型 PCF；包層由石英-空氣周期介質構成（不一定形成光子帶隙，包層平均折射率為 neff），中心為 SiO2構成的實芯缺陷；由於纖芯折射率高於包層平均折射率，光波在纖芯中依靠全內反射傳播。第二種是基於光子禁帶導光，這種光纖對空氣孔排列的周期性要求比較嚴格，我們稱其為光子帶隙（photonic bandgap，PBG）型 PCF，包層由石英-空氣二維光子晶體構成（六角晶格結構具有二維光子帶隙），具有嚴格的大小、間距和周期排布，纖芯為額外的空氣孔缺陷作為傳光通道；PBG-PCF 的導光機制與傳統光纖完全不同，它是通過包層光子晶體的布拉格衍射來限制光在纖芯中傳播的。

1996 年的 OFC 會議上，Knight 等人首次對拉製成功的全內發射型 PCF進行了報導。這種光子晶體光纖的基底材料以純石英為主，包層能夠按三角形的周期結構來排列空氣孔，纖芯處缺少一個波長量級的空氣孔造成缺陷，光能夠很好的被局限在纖芯處的缺陷里傳輸。Knight 等人在 1998 年首次報導成功拉制 PBG-PCF,這類光子晶體光纖以蜂窩型的空氣孔結構的排列為基礎，纖芯處合理的加入一個額外空氣孔從而能夠造成缺陷，導致一定頻率的光波模式在橫向延伸時無法穿透包層，即光子晶體光纖的包層折射率大於纖芯中心的有效折射率。因此，TIR-PCF 相對 PBG-PCF 更容易實現。目前大多數 PCF 的研究和實際套用都是針對這種類型。當然，如果包層空氣孔足夠大，並且選擇合適的晶格結構且排列精密，PBG 導光和 TIR 導光可以同時存在於 PCF 中。 PCF 的特性與其結構密切相關，包層空氣孔大小、間距、排列形狀，纖芯折射率高低及形狀、大小，決定了 PCF 的傳光特性。因此，只要改變空氣孔在 PCF 包層中的分布規律和大小，就可以設計出不同特性的 PCF。

2液晶的基本光學性質

液晶，即液態晶體(LC,Liquid Crystal)，是物理狀態的一種，由於具有異質理化與光電特性，二十世紀中期逐漸被套用於輕薄型的顯示技術中。人們熟知的物質狀態為固、液、氣，比較不熟悉的為等離子和液晶。液晶相必須具有特定形狀分子組合才會產生，液晶可流動，也具有結晶的光學特性。液晶的概念，廣義上包括了在某一溫度範圍內可為現液晶相，在比較低溫度下呈正常結晶的物質。液晶是一種有機化合物，是以碳為中心組成的化合物。同時含有兩種物質狀態的液晶，是依靠分子之間的力組合而成的，它們具有特殊的光學特性，而且對電場、磁場、溫度等外界環境因素都很敏感，擁有極高的套用價值。

液晶的基本性質

液晶從發現至今已有 124 年的歷史了。它最早是由奧地利植物學家埃尼采兒發現的：將膽甾醇苯酸酯晶體加熱到 145.5℃ (熔點溫度)時變成渾濁液體；持續加熱到 178.5℃時卻變為清亮液體。清亮點(clear point)就是 178.5℃，即晶體從渾濁變為透明的臨界溫度值。在 1887 年德國物理學家奧托雷曼(Otto Lehmann)利用偏光顯微鏡觀察發現了液晶化的現象。隨後通過認真研究和實驗觀察，得到了液晶作為一種特殊的相態，在晶體處於一定溫度範圍中，其為光學各向異性，其處於晶體和液體的中間相，同時兼具兩者物理特性和流動性，將處於這種狀態的物質稱為液晶。1922 年法國人弗里德仔細分析當時已知的液晶，把他們分為三類：向列型(nematic)、層列型(smectic)、膽固醇(cholesteric)。 雖然液晶有很長的歷史，但真正研究液晶的正確的理論到 20 世紀 50 年代才建立起來。而後發現的動態散射使液晶可以套用在顯示方面。用液晶製作成的顯示器(LCD)具有陰極射線管顯示器(CRT)無法比擬的優勢,例如液晶顯示器體積小，重量輕，省電，輻射小，亮度高等。而後人們在 20 世紀 70 年代發現了盤形有機分子構成的液晶。它的主要特點在於其分子可以定向排列。隨著液晶在理論上的突破，液晶在產業化過程中會發揮越來越大的作用。

液晶的特性及分類

由於液晶處於晶體和液體的中間態，兼備晶體和液體的某些特性。按晶 體方面來說，液晶在短程的方向是隨機的，方向毫無規律排列；按液體方面來說，其分子在一維平面式規則排列的，而在二維平面也具備各向異性的特點。按對外在因素的影響分類，液晶可劃分為兩類：熱致液晶（thermotropic LC）、溶致液晶(lypotropic LC)。

膽甾相液晶分子在不同層中呈平行排列。不同層面上的分子取向不盡相同，其沿所在平面的法線旋轉變化。膽甾相液晶只存在於光學活性的液晶物質中，這些光學活性的液晶物質大部分是膽甾醇類的衍生物。向列相液晶結構，分子取向大致相同，都朝相同或相似的方向，在實驗室中用顯微鏡可以看到其如植物纖維般組織結構。向列液晶摻雜 PCF 電場感測器，對於向列液晶受電場的影響，主要有兩個方面：巨觀方面和微觀方面。巨觀方面是受電壓影響纖維結構紋理組織中出現另一種結構。微觀方面是指在電場環境下液晶分子偶極子排列方向發生改變，從而導致介電常數，折射率發生變化。並且液晶分子取向還會受到磁場的影響。

向列相液晶的基本光學性質

向列相是液晶的最常見的相之一，其分子一般要滿足以下幾個特點：

1、液晶分子須為棒狀，長軸與短軸比必須大於等於4。

2、出於剛性要求考慮，在分子的中央需要引進雙鍵，形成共軛體系來得到線性結構；或者分子保持反式構型，來得到線狀結構。

3、為了獲得分子間保持平行的有序狀態，分子作用力需較大，因此分子末端一般會有一個極性基團。

在向列相液晶中棒狀分子並沒有一定的位置順序，但是它們可通過長軸大致的平行進行自我調整，以此來形成一種長程有序性。所以，雖然向列相液晶的棒狀分子重心的排列是雜亂無章的，可以自由流動，但是它們彼此仍保持互相平行排列的狀態。當液晶分子在外力作用下發生相對移動時，分子很容易沿流動方向，並且互相穿越。這時向列相液晶和普通的液體相似，但是它們很容易受到電場、磁場、溫度等外界因素而產生一定的定向排列。大多數的向列相液晶是單軸的：分子有一個長軸和兩個互相平等的短軸。

定向排列的向列相液晶擁有與單軸晶體相似的光學性質，正是由於這種性質使向列相液晶在液晶顯示器（LCD）上有著廣泛的套用。其中有一種特殊的液晶，扭曲向列相液晶，平常呈扭曲排列，當受到外界電場影響時，液晶分子會根據外加電壓值反向扭曲對應的程度。這種液晶對電場改變相當敏感，對電流的反饋十分精確，十分適合用來通過電流來控制光通過的進程。扭曲相液晶可在不同的電場中產生相應的不同的扭曲程度，從而控制顯示屏的暗亮變化。將兩塊偏振片相互垂直放置，在偏振片間加入扭曲向列相液晶。扭曲向列相液晶在不通電時，分子會呈螺旋狀排列，可使光線產生一定扭曲然後透過偏振片，即產生一定的亮度。當通電時，液晶會產生相應的反向扭曲，即分子沿偏光鏡法線方向排列，這樣使光的透過率減小。

3液晶填充光子晶體光纖感測器研究

液晶是指在一定溫度（熱致液晶）和濃度（溶致液晶）條件下，既有液體的流動性和連續性，又具有晶體的各向異性，同時又保存了晶體的某些有序性的有機化合物或高分子聚合物。液晶分子排列順序極容易受電場和磁場的影響，具有非常明顯的電光效應，受外界影響時顏色會有明顯改變。人們可以利用它來指示溫度、報警毒氣等。例如，利用某些液晶顏色隨著溫度的變化，能從紅變綠、藍的性質，可以指示所處環境的溫度；某些液晶遇上氫氰酸、氯化氫等的有毒氣體，也會變色。在許多化工廠，人們把液晶片掛在牆上，一旦有微量毒氣逸出，液晶就會變色，提醒人們趕緊去檢查、補漏。基於液晶取向改變的感測方法已經成為一種新興的生化檢測技術，具有很高的科研價值和使用價值。

另一方面，PCF 最大的特色就是利用周期變化的折射率分布實現導光。在 PCF 包層空氣孔中填充液晶，利用液晶折射率容易受外界電場、溫度、磁場等物理環境影響的特性，進而改變光子晶體光纖導光特性以實現對環境的感測。總之，PCF 與液晶相結合在光纖感測領域有非常誘人的研究和套用前景。

2007 年，Aleksandra Czapla 等人將 PCF 裡面填充液晶，通過光學方法測量了外部環境的壓力、溫度、電場等因素的變化。2009 年，Lei Wei 等報導了一種溫控和電控的負介電各向異性光子晶體光纖，當溫度在 22℃-80℃範圍變化時，可得到 396nm 的傳輸波長頻寬改變。同年，錢忠祥等人研究了在實芯 PCF包層的空氣孔中填充向列相液晶形成的全內反射型 PCF，發現其有效折射率和模場面積隨溫度升高而增大，且在液晶相變點附近增大最快，而二階模截止波長隨溫度升高而減小，在溫度接近液晶相變點附近減小更快。

除了填充液晶，還有許多關於填充各種光敏或溫度敏感材料的 PCF 感測器研究。2010 年 Yongqin Yu 等人報導一種基於模式調製的 PCF 溫度感測器，他們將乙醇液體填充至折射率引導型 PCF 的包層空氣孔內，由於乙醇的熱光係數高於石英，導致 PCF 的模場、有效折射率以及限制損耗均對溫度有很敏感的反應，測得溫度的感測靈敏度為 0.315dB/℃。同年，Tingting Han 等人證明了在彎曲可控的 PCF 中心填充液體，通過控制 PCF 的曲率，能夠實現基模和包層模式間的共振耦合，可以避免普通光纖溫度感測器中出現的溫度和應力交叉敏感現象，獲得了 32400nm/RIU（或者 13.1nm/℃）的靈敏度.