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user: 8. 光子晶体光纤的应用 PCF包层区域中以波长量级周期性或准周期性分布的空气孔使其具有传统光纤所无法比拟的特性，作为新一代优异的光学介质，它在激光器、传感、医疗、超连续光源、光纤通信等方面具有广泛的应用前景。 PCF在激光器中不仅可直接作为增益介质，也可起色散补偿和传输光能量等作用。并且由于具有大模面积、色散可调、数值孔径灵活可调、结构紧凑等特性，PCF光纤激光器具有更广泛的应用前景。自第一台大模场光子晶体光纤激光器问世以来 [ 97 ] ，大模场PCF可显著降低功率密度，减小非线性效应和提高损伤阈值等，使它成为光纤激光器中的一个新的研究热点。2008年，丹麦Crystal Fiber公司采用100 μm纤径和3957 μm 2 模场面积的棒状双包层PCF，获得了M 2 < 1.1，功率为2.53 kW的单模激光输出。通过对该光纤的进一步研究，发现提高泵浦光源功率，可获得10 kW的激光输出。2012年，天津大学的Zhang等报道了脉冲重复率为55 MHz、脉冲宽度494 fs至1.24 ps、最大脉冲能量为49 nJ的大模场可调谐超短脉冲光子晶体光纤激光器 [ 98 ] 。2013年，上海光学精密机械研究所首次报道了基于溶胶-凝胶法制作的Yb 3+ 、Al 3+ 和P 5+ 共掺石英玻璃的大模场PCF，在1040 nm处获得了34.6 W的输出 [ 99 ] 。接着，2015年在Scientific Reports上报道了大模场单模掺钕石英玻璃全固态PCF，该光纤纤芯直径45 μm，在1064 nm处获得了0.8 W的M 2 为1.18的单模激光输出 [ 100 ] 。PCF的色散灵活可调特性可应用于脉冲锁模激光器，能有效地补偿谐振腔的色散并将脉冲进行压缩。早在2003年，Südmeyer等人利用PCF将Yb:YAG激光器输出880 fs脉冲压缩至30 fs [ 101 ] 。Abedin等人利用长度为20 cm的零色散波长位于1065 nm的PCF压缩脉冲，得到了中心波长1070 nm、脉冲宽度为20 fs的脉冲输出 [ 102 ] 。如今的超快脉冲PCF激光器已达几十飞秒的脉冲宽度。除上述报道，利用PCF的特殊性在结构紧凑、小巧灵活和体积小的激光器或在长度较短的光纤激光器实现高功率输出的应用中也都有着很大的发展前景 [ 58 ] [ 103 ] 。 近年来PCF的制作工艺的越来越成熟，基于PCF的传感技术的发展，使得其在温度、应变、压力、折射率等参数的传感测量方面，比传统光纤具有更高的灵敏性和精度，被用于研制气体、液体、生物、压力等各类传感器，并且已在环境检测和生物传感等领域得到广泛应用。目前PCF传感器按原理一般分为以下几类：吸收型PCF传感器，PCF光栅传感器，干涉型PCF传感器，荧光PCF传感器。吸收型PCF传感器一般是将气体或液体等介质填充在PCF的孔洞中，光在通过PCF后，透射光强度会衰减，或者随外界环境的变化，透射光发生改变，通过强度探测或光谱分析来测量介质的浓度和成分或者测量外界环境的变化量。例如，香港理工大学的Hoo和Jin等人在PBG-PCF中填充气体，通过监测通过气体的光的衰减来测定气体的浓度，由于PBG-PCF中约95.45%的光功率与气体相互作用，所以相比TIR-PCF具有更高的灵敏度 [ 104 ] ；深圳大学的Yu等人设计了一种乙醇填充的温度传感器，当外界温度变化，透射光的强度随之而变，可实现温度的测量，实验上用10 cm长的PCF传感器获得了0.315 dB/℃的灵敏度 [ 103 ] 。PCF光栅传感器利用光纤光栅的传光性能随外界条件(温度、折射率和应变等)的变化而变化。例如Martelli等人利用光纤布拉格光栅长度随温度和应变的变化，来改变传光性能，从而制成PCF光栅温度和应变传感器 [ 105 ] ；Maity等人于2014年提出了超灵敏长周期PCF光栅传感器，通过测量该长周期光栅的两个谐振波长峰之间的差随温度、应变和折射率的变化，来确定被测物理量的大小，可制成高性能多参数传感器 [ 106 ] 。干涉型PCF传感器大多是基于纤芯基模和包层模式之间的干涉，一束光分成两部分别在纤芯和包层传播，并在汇合时发生干涉。Zhou等人报道了一种折射率计，该传感器是基于双芯PCF的Michelson干涉仪，可在1.34~1.37的折射率范围内实现800 nm/RIU的分辨率 [ 107 ] 。荧光PCF传感器基于PCF的截面可灵活设计，增加荧光的吸收面积和接收角，荧光经PCF传输，通过探测器检测，实现对样品的定量分析。Konorov等人报道了一种非接触式荧光检测方法，用半导体激光通过PCF纤芯照射在样品上激发出荧光，然后利用较大的薄层区域收集荧光，反向传输到监测装置上，可以测量样品的性质或通过荧光的变化来测量外界环境参量 [ 108 ] 。总之，PCF由于其光子带隙的独特性，使PCF传感元件具有许多传统光纤无法比拟的特性，在光纤传感中的应用越来越广泛。 超连续谱是通过高功率皮秒或飞秒脉冲耦合进光纤中，激发多重光学非线性效应(四波混频、自相位调制、交叉相位调制、拉曼效应、光孤子自频率频移等)而实现的激光频谱展宽。超连续谱光源应用领域广泛，尤其是在生物医学中，已作为医学领域中各分析仪器(流式细胞仪，荧光显微成像，光学相干层析、共焦显微生物医学分析等)的一种主要的光学器件，其提供了强有力的技术支持。PCF中产生的超连续谱具有光谱范围宽、色散平坦、损耗低、功率高、容易实现零色散等优势：Belli， F.利用充氢气的kagome PCF实现了从124~1200 nm的超连续谱 [ 31 ] ；天津大学姚建铨课题组在2005年用钛宝石OPA对PCF泵浦，获得了300~1350 nm的超连续谱，同时发现如果泵浦波长靠近PCF的零色散波长，超连续谱的平坦性越好、宽度越宽 [ 109 ] ；Ebnali-Heidari等人在PCF中填充光学流体来控制色散，实现了低损耗、超平坦色散，通过模拟发现用中心波长位于1250~1625 nm的飞秒脉冲可实现640~1180 nm的超平坦超连续谱 [ 110 ] ；2014年国防科学技术大学谌鸿伟等人报道了用七芯PCF实现了百瓦量级超连续谱，谱宽为750~1700 nm，平均功率为104.2 W [ 111 ] 。如上所述，PCF超连续谱具有如此多的优异特性，自超连续谱在PCF中产生以来，在生物医学领域迅速推广和发展。Nagahara等人在2004年用钛宝石激光器对PCF泵浦，将获得的超连续谱耦合进扫描近场显微镜的光学探针中，实现了宽谱段扫描近场光学成像和样品吸收透射光谱测量，并且在740~830 nm探针脉冲的时间精确度为1~2 ps [ 112 ] 。Isobe等人用钛宝石飞秒激光器对4.5 mm长的PCF泵浦获得近红外波段的超连续谱光源，该波段同时涵盖了三种荧光染料的最优激发波长，从而达到三波长双光子荧光同步显微成像 [ 113 ] 。采用PCF产生的超连续光谱也被人们用于荧光寿命成像显微，并可通过调节泵浦源来调节超连续谱光源。光学相干层析成像是一种三维层析成像技术，在医学细胞、血液分析中具有重要作用。Humbert等人在2006年将PCF产生的超连续谱作为光源引入光学相干层析成像系统中，并在没有使用滤光片的条件下，中心波长位于809 nm，在自由空间得到了1.5 μm的纵向分辨率 [ 114 ] 。 PCF众多的优异性和独特的结构，不仅在激光、医学和传感领域广泛应用，PCF还作为一种新型的光器件和光传输介质为光纤通信带来了新的活力。2003年，日本电报电话公司(NTT)就在光纤通信(OFC)会议上报道了他们研制的长度10 km、损耗为0.37 dB/km的PCF，其研究人员随后进行了波分复用实验，传输速率达到80 Gbit/s。2007年Anonymous利用PCF在可见光波段实现了10 Gbit/s的传输速率 [ 115 ] 。2006年，Kwok等人报道了利用平坦色散PCF获得了超宽带宽(>100 nm)全光波转换，转换速率为10 Gbit/s [ 116 ] 。西安邮电大学的Hui等人于2014年基于平坦色散高非线性PCF中的自相位调制原理，实现了1至8个不同光波同时多点传送，速率为20 Gbit/s [ 117 ] 。2016年他们又基于单模、色散平坦、高非线性的PCF中的四波混频和交叉相位效应，通过实验实现了速率为10 Gbit/s、1至4个不同光波多点传送的非归零码到归零码的光调制格式转换 [ 118 ] 。PCF在光纤通信中各种功能的应用实现的同时，人们也在不断降低PCF的损耗，通过色散补偿、平坦、单模等特性，期望实现Tbit/s超高速率的光纤通信。 PCF应用广泛，涉及领域之多，除了上面介绍的几种应用，利用PCF还可制作放大器、保偏器、光开关、定向耦合器、波长转换器、化学反应器等。总之，PCF灵活的结构，造就了PCF的广泛应用，而且近来随着光子晶体光纤制备工艺的成熟和理论的完善，PCF的应用可谓“随处可见”，也促使其不断地向未知的技术和新领域拓展，相信PCF在不久的将来会在诸多领域起到举足轻重的作用。