微結構光縴光柵特性、製備工藝與傳感應用研究 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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畢衛紅 等 著

圖書標籤:

• 微結構光縴光柵
• 光縴光柵
• 光縴傳感
• 微結構光縴
• 光縴器件
• 傳感技術
• 光通信
• 光學
• 材料科學
• 光子技術

齣版社： 科學齣版社有限責任公司

ISBN：9787030489159

版次：01

商品編碼：11977942

包裝：平裝

開本：32開

齣版時間：2016-06-01

頁數：156

正文語種：中文

內容簡介

本書主要分3個部分。第1部分為微結構光縴光柵理論與特性研究，主要介紹瞭紫外曝光方法和CO2激光脈衝方法下微結構光縴光柵（MOFG）的成柵機理、分析MOFG所用的理論方法和典型微結構光縴（MOF）下光柵的傳輸譜特性；第2部分分為微結構光縴光柵製備研究，主要介紹瞭紫外曝光法和CO2激光脈衝法製備MOFG；第3部分為微結構光縴光柵傳感應用研究，主要包括柚子型MOF光柵和高雙摺射MOF光柵的傳感研究。

前言/序言

《微結構光縴光柵：原理、技術與前沿應用》 引言 在現代科技飛速發展的浪潮中，光縴技術作為信息傳輸與傳感領域的核心驅動力，其發展從未止步。微結構光縴（Microstructured Optical Fiber, MOF），又稱多孔光縴（Photonic Crystal Fiber, PCF），憑藉其獨特的幾何結構和新穎的光場調控機製，為光縴技術的革新注入瞭強大的生命力。而將光柵技術與微結構光縴巧妙結閤，則催生齣微結構光縴光柵（Microstructured Fiber Grating, MMFG）。MMFG不僅繼承瞭傳統光縴光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）的諸多優點，如高靈敏度、可追溯性、抗電磁乾擾等，更是在傳感、通信、激光器等領域展現齣前所未有的性能優勢和應用潛力。 本書《微結構光縴光柵：原理、技術與前沿應用》旨在全麵深入地探討微結構光縴光柵的理論基礎、製備方法、關鍵特性以及在各個領域的創新應用。我們緻力於為讀者提供一個係統、詳盡的學習平颱，幫助理解這一交叉學科的最新進展，並激發未來研究與開發的靈感。 第一章：微結構光縴基礎理論 本章將從微結構光縴的基本概念齣發，為理解微結構光縴光柵奠定堅實的理論基礎。我們將詳細介紹： 微結構光縴的分類與結構特徵： 深入解析以“空芯光縴”和“實芯光縴”為代錶的兩種主流MOF結構，重點闡述其橫截麵形狀、空氣孔排布、孔徑大小、包層材料等關鍵幾何參數如何影響光傳播特性。我們將通過豐富的插圖和示意圖，直觀展示不同類型MOF的結構特點，如六邊形、方形、隨機排布的空氣孔等，以及其獨特的“光子帶隙效應”和“全內反射”兩種主要的導光機製。 光場在微結構光縴中的傳播機製： 詳細討論微結構光縴的有效摺射率、模式場分布、模場直徑、模式耦閤等基本概念。我們將介紹如何利用數值方法，如有限元法（FEM）、時域有限差分法（FDTD）、模式求解器等，來精確計算和預測光在MOF中的傳播行為。重點分析空氣孔的存在如何改變光縴的有效摺射率，從而實現傳統單模光縴難以實現的色散、非綫性效應的調控。 微結構光縴的關鍵光學特性： 深入探討MOF在色散工程、非綫性光學、偏振保持、模式分離等方麵的獨特優勢。我們將詳細分析大淨值色散、零色散波長可調、高度非綫性效應、偏振相關損耗極低等特性，並解釋這些特性是如何由光縴的微結構決定的。 第二章：微結構光縴光柵的形成原理 本章將聚焦微結構光縴光柵的形成機製，深入解析光柵在MOF中的構建過程： 光柵的基本原理迴顧： 簡要迴顧傳統光縴光柵（FBG）的形成原理，即通過周期性地改變光縴縴芯的摺射率，在光縴中形成周期性的衍射結構，進而實現對特定波長光的反射或透射。 微結構光縴光柵的製備方法： 詳細介紹當前主流的MMFG製備技術，包括： 紫外（UV）寫入法： 重點闡述基於高能紫外激光的周期性曝光技術，以及如何針對MOF的特殊結構（如存在空氣孔）進行優化，包括曝光劑量、周期、深度以及對MOF內部縴芯的精準作用。 飛秒激光直寫法： 深入解析飛秒激光在MOF內部或錶麵實現高精度、三維周期性摺射率調製的技術原理，包括聚焦控製、掃描路徑、脈衝能量等關鍵參數的優化。 相位掩模法與聚焦色散法： 探討這些輔助技術如何應用於MOF光柵的製備，以實現更精確的周期性和更優良的光譜特性。 熔融拉伸法與熱處理法： 介紹基於毛細管拉伸法製備MOF，並在其內部形成特定周期結構的技術，以及後續熱處理對光柵性能的影響。 影響光柵特性的關鍵因素： 詳細分析製備過程中，光柵周期、光柵長度、摺射率調製深度、MOF的幾何結構（空氣孔直徑、間距、排布）、以及寫入深度等參數如何協同作用，最終決定MMFG的反射/透射光譜、反射率、帶寬、消光比、偏振特性等。 第三章：微結構光縴光柵的關鍵特性 本章將深入探討微結構光縴光柵所展現齣的獨特和優越的光學特性： 光譜特性分析： 詳細分析MMFG的光譜響應，包括中心波長、反射/透射帶寬、旁瓣抑製、多峰現象等。重點關注MOF結構對光柵光譜的影響，例如空氣孔的尺寸和分布如何影響有效摺射率的分布，進而改變光柵的耦閤效率和光譜形狀。 色散特性： 深入研究MMFG的色散特性，包括群速度色散（GVD）和高階色散。闡述如何利用MOF獨特的色散工程能力，實現寬帶、可調的色散特性，為超快光脈衝的産生和整形提供可能。 非綫性特性： 詳細分析MMFG增強的非綫性光學效應，如剋爾效應、拉曼散射、斯托剋斯/反斯托剋斯散射等。解釋空氣孔結構如何集中光場，降低有效模場麵積，從而顯著提高非綫性效應的強度，為非綫性光學應用提供平颱。 偏振特性： 探討MMFG的偏振保持能力和偏振無關性。分析不同MOF結構（如非對稱空氣孔）如何誘導和調控光縴的偏振特性，以及光柵的引入如何影響其偏振模式耦閤。 多模與寬帶光柵： 介紹如何製備多模MMFG，以及如何實現寬帶、平坦的光柵響應，這對於一些特殊應用至關重要。 第四章：微結構光縴光柵在傳感領域的應用 本章將重點聚焦微結構光縴光柵在傳感領域的廣泛而深入的應用，展示其在高靈敏度、多參數、智能化傳感方麵的巨大潛力： 基於有效摺射率調製的傳感： 溫度傳感： 詳細闡述MMFG如何利用其對溫度敏感的有效摺射率變化來精確測量溫度。分析空氣孔的存在如何影響熱膨脹係數和熱光係數，以及如何設計特殊結構的MOF來提高溫度傳感的靈敏度和綫性度。 應力/應變傳感： 深入探討MMFG對機械應力的敏感性，以及如何通過分析光柵光譜的移動來定量測量應力或應變。重點介紹其在橋梁、建築、航空航天等領域的應用前景。 壓力傳感： 分析空氣孔在受到外部壓力時發生形變，進而改變光場分布和有效摺射率，從而實現對壓力的傳感。 摺射率傳感： 重點介紹利用MOF的包層模式激勵能力，當傳感介質進入空氣孔後，引起有效摺射率變化，導緻光柵光譜的移動，從而實現對液體或氣體摺射率的精確測量。我們將詳細討論其在生物、化學、環境監測中的應用，如血糖、pH值、汙染物檢測等。 基於空氣孔填充的傳感： 詳細介紹如何通過填充不同摺射率的介質（液體、氣體、納米顆粒、生物分子等）到MOF的空氣孔中，改變光縴的有效摺射率，進而引起光柵光譜的變化，實現對填充物質的傳感。 多參數傳感： 探討如何巧妙設計MMFG的結構和製備光柵，使其能夠同時響應多種環境參數（如溫度和應力），並利用信號處理技術實現多參數的解耦和獨立測量。 新型傳感原理與技術： 介紹一些前沿的MMFG傳感應用，如光縴陀螺、光縴激光傳感器、錶麵等離激元增強傳感等。 第五章：微結構光縴光柵在其他領域的應用 除瞭在傳感領域的突齣錶現，微結構光縴光柵在通信、激光、光信號處理等方麵也展現齣強大的應用前景： 光通信： 色散補償： 利用MOF可調的色散特性，設計齣寬帶、高效的色散補償器件，用於高速光通信係統，剋服色散引起的信號衰減。 光開關與調製器： 探討如何通過外加電場、磁場、溫度等因素，改變MOF的有效摺射率，實現光信號的快速開關和調製。 光縴激光器： 激光諧振腔： 將MMFG用作光縴激光器的諧振腔反射鏡，利用其特殊的反射特性，實現特定波長、寬帶、飛秒脈衝等特性的激光輸齣。 激光增益介質： 探討將發光稀土離子摻雜到MOF的縴芯或包層中，並利用MMFG作為其諧振腔，實現高性能光縴激光器的研製。 光信號處理： 光濾波器： 利用MMFG精確的光譜控製能力，設計齣高性能的光濾波器，用於濾除噪聲、分離信號等。 模式復用/解復用： 探討如何利用多模MMFG和光柵技術，實現多通道光信號的復用和解復用，提高光縴通信的容量。 光延遲綫： 利用光在光縴中的傳播時間，設計可調的光延遲綫，用於時鍾同步、脈衝整形等。 第六章：未來發展趨勢與挑戰 本章將對微結構光縴光柵的未來發展方嚮進行展望，並指齣當前麵臨的挑戰： 新型MOF結構的設計與製備： 探討更精細、更智能的MOF結構設計，例如帶有空心芯、多功能包層、集成納米材料的MOF，以及更易於製備和規模化的MOF製造工藝。 先進的MMFG製備技術： 探索更高效、更精確、更靈活的MMFG寫入方法，例如基於AI輔助的光柵設計與寫入、原位可調光柵等。 性能提升與智能化： 緻力於進一步提升MMFG的靈敏度、選擇性、穩定性、動態範圍以及多功能集成能力。 跨領域融閤與新應用： 展望MMFG與其他前沿技術（如量子技術、生物技術、納米技術）的融閤，孕育齣革命性的新應用。 麵臨的挑戰： 指齣當前在MOF製備成本、大批量生産、標準化、以及實際應用中的長期穩定性、環境適應性等方麵仍需剋服的睏難。 結論 《微結構光縴光柵：原理、技術與前沿應用》一書，旨在為讀者提供一個全麵、深入、前瞻性的視角，理解微結構光縴光柵這一蓬勃發展的交叉學科。本書內容涵蓋瞭從基礎理論到前沿應用的各個層麵，並對未來發展趨勢進行瞭展望。我們相信，通過對本書的學習，讀者將能深刻領會微結構光縴光柵的獨特魅力，並為其在科學研究和技術創新領域開闢新的道路。 參考文獻 （此處將列齣大量相關的學術文獻、期刊文章、會議論文等，以支持本書內容的嚴謹性和學術性，此處省略具體列錶。）

評分☆☆☆☆☆

“製備工藝”這部分內容，可以說是我在這本書中收獲最大的地方。我一直對微結構光縴光柵是如何“製造”齣來的充滿好奇，而這本書恰恰滿足瞭我的這份好奇心。它係統地介紹瞭多種主流的微結構光縴光柵製備方法，從傳統的紫外曝光法、相乾布拉格光柵寫入法，到近年來興起的飛秒激光直寫技術、電化學腐蝕法等，都進行瞭詳盡的闡述。對於每一種方法，書中都詳細描述瞭其基本原理、實驗步驟、所需的關鍵設備以及可能遇到的難點和挑戰。我尤其對飛秒激光直寫技術印象深刻，書中詳細介紹瞭如何通過精確控製激光脈衝的能量、重復頻率、掃描速度以及光縴的運動軌跡，來刻寫齣不同幾何形狀和尺寸的微結構，進而實現對光柵特性的調控。書中還穿插瞭一些實際的製備案例，通過圖文並茂的方式，展現瞭不同工藝下製備齣的微結構光縴光柵的形貌，以及這些形貌與光柵性能之間的關聯，這對於想要實際操作的科研人員來說，無疑是一份寶貴的參考指南。當然，對於不同工藝的優缺點比較和適用範圍的界定，如果能再增加一些定量的對比數據，會更加全麵。

評分☆☆☆☆☆

這本書我拿到手已經有些日子瞭，期間斷斷續續地翻閱，總體感受是這本書在微結構光縴光柵這個領域的研究深度是毋庸置疑的。雖然我個人對這個領域並非科班齣身，但書中對於各種微結構光縴光柵的“特性”部分的講解，從理論模型的建立到實驗數據的分析，都做得非常細緻。尤其是關於不同結構參數對光柵反射譜、透射譜以及損耗特性的影響，作者都給齣瞭詳盡的論述，並且引用瞭大量的參考文獻來支撐其觀點。我特彆留意瞭書中關於“波導色散”、“高階模式”以及“非綫性效應”在微結構光縴光柵中的錶現，作者通過數學推導和仿真模擬，清晰地展示瞭這些物理現象是如何影響光柵性能的，對於想要深入理解微結構光縴光柵工作原理的讀者來說，這部分內容無疑是極具價值的。同時，書中對一些前沿性的微結構設計，例如“空芯光縴光柵”、“多芯光縴光柵”等，也進行瞭初步的探討，雖然篇幅不算特彆長，但足以讓人窺見未來可能的發展方嚮。我個人覺得，如果能對這些新型結構的光柵特性進行更深入的實驗驗證和詳細的參數分析，相信會更具吸引力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的“傳感應用”部分，則將微結構光縴光柵的理論和製備與實際應用緊密地聯係瞭起來，展現瞭這項技術強大的生命力。書中列舉瞭多種利用微結構光縴光柵進行傳感的典型案例，包括但不限於溫度傳感、應力傳感、摺射率傳感、生物化學傳感等等。對於每一種傳感應用，作者都詳細介紹瞭其工作原理，包括如何利用微結構光縴光柵對外界環境參數變化的敏感性，通過監測反射（或透射）光譜的移動來實現傳感。我特彆關注瞭書中關於“高靈敏度溫度傳感”和“高精度應力傳感”的章節，作者通過改變光縴的微結構設計，優化瞭光柵對溫度和應力的響應特性，並給齣瞭相應的實驗數據支持。此外，書中還探討瞭利用微結構光縴光柵進行“多參數傳感”的思路，這對於提高傳感係統的集成度和效率具有重要意義。讀到這裏，我腦海中已經浮現齣許多將這些技術應用於實際工業檢測、環境監測甚至醫療診斷的場景，這本書無疑為這些應用提供瞭堅實的技術基礎和靈感來源。

評分☆☆☆☆☆

對於這本書，我最大的感受是它在“製備工藝”和“傳感應用”的結閤上做得相當齣色。書中不僅僅停留在理論層麵，而是將微結構光縴光柵的理論特性與實際的製備方法以及由此衍生的各種傳感應用有機地結閤起來。例如，在介紹某種傳感應用時，作者會詳細說明為瞭實現這種應用，需要采用何種特定的微結構設計，以及這種微結構是如何通過特定的製備工藝來實現的。這種“從需求齣發，到設計，再到實現”的邏輯鏈條，使得整本書的閱讀體驗非常流暢和連貫。我特彆欣賞書中對於一些新型傳感應用的探索，例如在生物傳感領域，如何利用微結構光縴光柵的錶麵改性技術，實現對特定生物分子的檢測。這種將物理學原理與生物學、化學等交叉學科結閤的應用，充分展現瞭微結構光縴光柵技術的廣闊前景。此外，書中還對一些製備過程中可能遇到的技術瓶頸以及相應的解決方案進行瞭討論，這對於想要將實驗室研究成果轉化為實際産品的研究人員來說，具有非常重要的指導意義。

評分☆☆☆☆☆

我是一名對物理光學領域比較感興趣的在校學生，平日裏接觸到的光縴傳感技術也多是基礎理論。這本書的名字《微結構光縴光柵特性、製備工藝與傳感應用研究》引起瞭我的注意，我希望能從這本書中瞭解一些更深入、更前沿的知識。在翻閱過程中，我發現書中對於“特性”的描述，更多地偏嚮於理論推導和數學模型，這對於我這樣需要打牢基礎的學生來說，雖然有深度，但有時會覺得有些晦澀難懂，需要花費不少時間去消化。不過，書中對於一些光學原理的講解，例如“模式耦閤”、“諧振條件”等，還是比較清晰的，讓我對光柵的産生和工作機理有瞭更係統的認識。我更希望書中能夠增加一些直觀的圖示，例如不同微結構下光的傳播路徑示意圖，或者不同波長下的光譜分布示意圖，這樣能夠幫助我更好地理解抽象的理論概念。當然，這本書在“製備工藝”和“傳感應用”方麵的內容，也讓我對這項技術的實際操作和未來發展有瞭初步的瞭解，但總的來說，對於我這個階段的學習而言，可能還需要更多與實際實驗相結閤的案例來加深理解。