微结构光纤光栅特性、制备工艺与传感应用研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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毕卫红 等 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030489159

商品编码：29470299908

包装：平装

出版时间：2016-06-01

基本信息

书名:微结构光纤光栅特性、制备工艺与传感应用研究

定价：60.00元

售价：52.8元,便宜7.2元,折扣88

作者:毕卫红 等

出版社：科学出版社

出版日期：2016-06-01

ISBN：9787030489159

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版次：1

装帧：平装

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商品重量：0.4kg

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导语_点评_推荐词

内容提要

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本书主要分3个部分。部分为微结构光纤光栅理论与特性研究，主要介绍了紫外曝光方法和CO2激光脉冲方法下微结构光纤光栅（MOFG）的成栅机理、分析MOFG所用的理论方法和典型微结构光纤（MOF）下光栅的传输谱特性；第2部分分为微结构光纤光栅制备研究，主要介绍了紫外曝光法和CO2激光脉冲法制备MOFG；第3部分为微结构光纤光栅传感应用研究，主要包括柚子型MOF光栅和高双折射MOF光栅的传感研究。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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微结构光纤光栅：精准调控光场，解锁传感新维度 微结构光纤光栅（Microstructured Fiber Gratings, MFGs）作为一种新兴的光学元件，凭借其独特的内部几何结构和由此衍生的优异光场调控能力，正日益成为科学研究与工程应用中的热门焦点。不同于传统的均匀光纤，微结构光纤内部引入了精密的周期性或非周期性空气孔道，这些孔道的尺寸、形状、排列方式以及光纤材料本身的特性，共同构成了MFGs独一无二的“分子设计”自由度。这种高度可定制的结构使得MFGs在光信号的滤波、传感、非线性光学以及光通信等领域展现出巨大的潜力。 MFGs的核心优势在于其能够实现对光在光纤内部传播特性的精细化操控。通过精确设计微结构光纤的孔隙结构，可以极大地改变光纤的有效折射率、色散特性、双折射特性以及非线性效应等。当在这样的微结构光纤内部引入周期性的折射率调制（即“光栅”）时，便形成了MFGs。与普通光纤光栅相比，MFGs的光谱响应、传感灵敏度以及抗干扰能力都得到了显著的提升。 一、 微结构光纤光栅的构成与特性 MFGs的构成可以追溯到其基础——微结构光纤。微结构光纤（Microstructured Optical Fiber, MOF），又称多孔光纤或空芯光纤，其最显著的特征是在光纤的横截面区域内存在一个或多个空气孔道，这些孔道可以呈周期性排列，也可以是非周期性的。微结构光纤的种类繁多，根据导光机制的不同，主要可以分为两大类： 1. 介质限制型微结构光纤（Index-Guiding MOF）： 这类光纤的导光机制类似于传统的单模光纤，即通过包层区域的平均折射率低于芯区（固体芯）的折射率来实现光的限制。其内部的空气孔道会降低芯区的平均折射率，从而实现有效的光场约束。例如，著名的“硬币”形状或“蜂窝状”排列的空气孔道就属于此类。 2. 光子带隙型微结构光纤（Photonic Bandgap MOF, PBG-MOF）： 这类光纤则依赖于周期性的微结构（通常是具有周期性排列的空气孔道）形成的“光子晶体”结构来导光。当光波的频率落入由该微结构的周期性决定的光子带隙之外时，光波会被限制在光纤的芯区（通常是实心无孔的区域，但其内部的微结构会形成导光所需的“缺陷”）。这种导光机制能够实现更广泛的模式控制，甚至在芯区折射率高于包层材料时也能实现导光。 在这些微结构光纤的基础上，通过特定的技术手段在光纤的传播路径上引入周期性的折射率调制，就形成了微结构光纤光栅。这种折射率调制可以通过不同的方式实现，最常见的是利用高能紫外激光（UV）或飞秒激光直写技术。 MFGs最核心的特性在于其高度可调的光谱响应。由于微结构光纤自身的多样性，MFGs可以设计出具有极为宽泛的反射/透射光谱范围，并且其光谱形状（如带宽、峰值、侧瓣等）也能被精确控制。此外，MFGs还表现出以下几个关键特性： 多模式特性： 许多MFGs能够支持多种模式的光传播，这为实现更复杂的信号处理和传感应用提供了可能性。 高双折射： 通过不对称的微结构设计，MFGs可以实现极高的双折射，这对于偏振相关的传感应用至关重要。 强非线性效应： 微结构光纤的细小芯径和高束流比（mode field diameter to core diameter ratio）能够显著增强光纤的非线性效应，使得MFGs在非线性光学领域具有独特的优势。 对外部环境高度敏感： 许多MFGs的导光特性对温度、压力、应变、化学物质吸附等外部环境参数非常敏感，这为其在传感领域的应用奠定了基础。 二、 微结构光纤光栅的制备工艺 MFGs的制备是一个精细且技术要求极高的过程，主要分为两个关键步骤：微结构光纤的制备和光栅的写入。 1. 微结构光纤的制备： 微结构光纤的制备通常采用改进的熔融拉伸法。其基本原理是通过将预制棒（preform）加热并拉伸成细丝，同时利用气压控制预制棒内部的空气孔结构，使其在拉伸过程中保持并形成预定的微结构。 预制棒的制备： 这是微结构光纤制备的起点，也是决定最终光纤结构的关键。预制棒通常由石英玻璃或其他光学玻璃材料制成。其内部结构的构建可以通过以下几种方式： 堆积法： 将细小的石英管或棒按照预定的形状和排列方式堆叠起来，然后进行整体烧结。 芯棒法： 将一个或多个细管（作为空气孔的母体）插入到一个更大的管子中，然后将其作为一个整体进行拉伸。 腐蚀法： 在预制棒内部制造出具有特定形状的通道，然后通过化学腐蚀来形成所需的孔隙结构。 3D打印法： 近年来，3D打印技术也开始应用于微结构光纤预制棒的快速成型。 拉伸成型： 将制备好的预制棒置于拉丝塔中，通过精确控制加热温度、拉伸速度和内部气压，将预制棒拉伸成直径通常在几十微米到几百微米的光纤。在此过程中，预制棒内部的空气孔道会相应地按比例缩小，从而形成微结构光纤。 2. 微结构光纤光栅的写入： 在微结构光纤制备完成后，就需要对其内部引入周期性的折射率调制，形成光栅。目前主流的写入技术主要有： 紫外（UV）激光写入法： 这是最传统和广泛使用的方法。 全息法： 利用一对交叉的紫外激光束，通过一个全息光栅或透镜组合，在光纤内部形成干涉条纹，从而引起光纤材料的紫外致敏（photosensitivity）效应，产生周期性的折射率变化。 相位掩膜法： 使用一种特殊的相位掩膜（phase mask）来分割和合并紫外激光束，从而在光纤内部形成周期性的光强分布，诱导折射率变化。 掩模法： 使用一个预先制作好的掩模，选择性地曝光光纤的特定区域，实现周期性折射率调制。 需要注意的是： 紫外激光写入法通常需要光纤材料本身具有一定的紫外致敏性。对于一些致敏性较差的材料，可能需要进行氢填充或退火处理来增强其紫外致敏性。 飞秒激光直写法： 飞秒激光具有极高的峰值功率和短脉冲宽度，能够实现非线性聚焦，并在光纤内部实现精确的空间定位和折射率修改，而无需依赖材料的紫外致敏性。 聚焦写入： 将飞秒激光聚焦到微结构光纤内部，通过选择性地修改材料的折射率来形成周期性结构。 多层写入： 可以实现光纤内部多层、多区域的折射率修改，为设计更复杂的光栅结构提供了可能。 优势： 飞秒激光直写法具有更高的精度、更广泛的材料适应性，且不易对光纤的包层结构造成破坏，能够制备出更高性能的光栅。 制备过程中的关键挑战： 精确控制微结构： 微结构光纤内部孔道的尺寸、形状和排列方式的微小偏差都可能导致其光学特性的显著变化，因此预制棒的制备和拉伸过程的精确控制至关重要。 光栅写入的精度： 光栅的周期、调制深度和长度决定了其光谱响应，因此在写入过程中需要精确控制激光的参数和曝光时间。 模式控制： 对于多模微结构光纤，如何将光栅写入到特定的光模式中，以实现所需的信号处理功能，是一个重要的挑战。 长期稳定性： 确保制备出的MFGs在各种工作环境下具有长期稳定的性能。 三、 微结构光纤光栅的传感应用 MFGs在传感领域的应用前景十分广阔，这主要得益于其对外部环境变化的极高敏感性以及能够实现对光信号的精准调控。MFGs可以用于测量多种物理、化学和生物参数，其传感机理通常基于外部环境变化导致MFGs内部折射率、几何结构或模式传播特性的改变，进而引起光栅反射/透射光谱的移动或展宽。 1. 温度传感： MFGs对温度的变化非常敏感。温度变化会引起光纤材料的热膨胀和折射率的相对变化（热光效应），导致光栅的布拉格波长发生移动。通过监测这个波长漂移量，就可以精确测量温度。MFGs可以设计成具有更高灵敏度或更宽测量范围的温度传感器，甚至能够实现对局部高温的精确测量。 2. 应变传感： 当MFGs受到应变时，其内部结构会发生形变，并且光纤材料的折射率也会发生变化（压光效应），这同样会引起光栅光谱的移动。MFGs的结构设计可以优化其对特定方向或特定应变的敏感度，从而实现高精度的应变测量。与传统光纤光栅相比，MFGs的应变灵敏度可以得到显著提升。 3. 压力传感： MFGs的空气孔道对其对外部压力的敏感性至关重要。当MFGs受到外部压力时，空气孔道的形状和大小会发生改变，从而影响光纤的有效折射率和传播模式，导致光栅光谱发生移动。通过特殊设计的MFGs，可以实现对低至微帕斯卡（μPa）级别的微小压力进行高灵敏度的检测。 4. 气体和化学物质传感： MFGs的内部孔道为气体或化学物质的吸附和扩散提供了便利的通道。当特定的气体分子或化学物质吸附在光纤内部的孔道表面时，会改变光纤的有效折射率，从而导致光栅光谱的变化。通过在孔道内壁涂覆特定的敏感材料，可以实现对特定化学物质的高选择性检测。例如，可以设计MFGs用于检测氨气、湿度、pH值等。 5. 生物传感： 与化学物质传感类似，MFGs也可以用于生物传感。通过在光纤表面固定生物识别分子（如抗体、DNA探针等），当目标生物分子与识别分子结合时，会引起光纤表面折射率的变化，进而被MFGs检测到。这为开发高灵敏度的生物传感器提供了可能，可用于疾病诊断、环境监测等领域。 6. 弯曲和姿态传感： MFGs对弯曲非常敏感，特别是那些具有高双折射特性的MFGs。当光纤发生弯曲时，会引入额外的应变和折射率变化，导致光栅光谱发生移动。通过监测这种光谱变化，可以实现对弯曲程度和方向的精确测量，从而用于姿态检测、机器人触觉反馈等应用。 7. 振动和声波传感： MFGs可以被设计成对微小的振动和声波敏感。声波或振动会引起光纤的形变，从而导致光栅光谱的调制。这种特性使其在结构健康监测、声呐探测等领域具有应用潜力。 MFGs在传感应用中的优势： 高灵敏度： 通过精细的结构设计，MFGs可以实现比传统光纤光栅更高的传感灵敏度。 多参数测量： 同一根MFGs可以通过设计和复用不同的光栅，同时测量多个参数。 小型化和集成化： MFGs具有体积小、重量轻的特点，便于集成到各种系统中。 抗电磁干扰： 光学传感器不受电磁干扰的影响，适用于恶劣的电磁环境。 远距离监测： 光信号可以在光纤中远距离传输，使得MFGs可以用于远程监测。 高带宽和响应速度： 光信号的传播速度快，使得MFGs具有快速的响应能力。 四、 总结与展望 微结构光纤光栅作为一种集精密光学设计与先进制造工艺于一体的光学器件，其独特的结构赋予了其前所未有的光场调控能力。从基础研究到前沿应用，MFGs都在不断拓展我们对光与物质相互作用的认知边界。 目前，MFGs的研究和应用仍处于快速发展阶段，未来的发展方向和潜在突破点可能包括： 新型微结构设计： 探索更复杂的微结构几何构型，以实现更独特的导光特性和更精细的光场调控，例如，具有集成功能的空芯微结构光纤光栅，能够实现光信号的同时传输和传感。 新材料的引入： 除了石英玻璃，探索其他光学材料（如聚合物、硫系玻璃等）在微结构光纤光栅中的应用，以拓展其工作波段和性能范围。 多功能MFGs集成： 开发能够同时实现多种功能（如滤波、传感、非线性光学效应增强）的集成化MFGs，为构建更紧凑、更强大的光电器件奠定基础。 智能化传感网络： 将MFGs与无线通信、人工智能等技术相结合，构建智能化的传感网络，实现对复杂环境的实时、高精度监测和预测。 制造工艺的革新： 持续优化微结构光纤的制备和光栅写入技术，提高制造精度、降低成本、实现大规模生产。例如，利用超快激光加工技术和原位监测技术来精确控制光栅的写入过程。 生物医学应用拓展： 深入挖掘MFGs在生物医学领域的应用潜力，例如，用于疾病的早期诊断、药物释放的精准控制、生物标志物的痕量检测等。 随着科学技术的不断进步，微结构光纤光栅必将在光通信、光传感、生物医学、环境监测等众多领域发挥越来越重要的作用，成为推动科技创新和改善人类生活的重要力量。

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这本书简直打开了我对光纤世界的新认知！在阅读前，我一直以为光纤就是电信里那种传输信号的“线”，没想到它还能被“雕刻”出如此精妙的结构，从而具备如此神奇的“传感”能力。作者在开篇就用生动的语言描绘了微结构光纤的独特魅力，它不是简单的圆柱形，而是内部有着复杂的空腔、导波结构，这些“微观的雕塑”赋予了光纤全新的物理特性。书里深入浅出地讲解了这些结构是如何影响光在其中的传播路径，以及如何通过调控这些结构来达到特定的光学响应。我特别喜欢其中对“光栅”概念的阐述，它不仅仅是简单的反射或透射，而是通过精确设计的周期性结构，能够对特定波长的光产生强烈的干涉效应。书中大量的图示和仿真结果，让抽象的光学原理变得直观易懂，我仿佛亲眼见证了光是如何在这些微观通道里跳舞、折射、衍射的。即使是之前对光学没有太多了解的读者，也能被作者的热情和清晰的逻辑所吸引，开始对这个领域产生浓厚的兴趣。总而言之，这本书是了解微结构光纤奥秘的绝佳入门读物，它激发了我深入探索这个学科的强烈愿望。

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我之前对“传感”这个词的理解仅限于温度计、血压计之类，这本书彻底颠覆了我的认知。它详细阐述了微结构光纤光栅如何被巧妙地应用于各种传感领域，从环境监测到生物医学，再到工业安全，其应用前景之广阔，令人惊叹。书里关于“应力传感”和“温度传感”的章节，让我看到了如何利用光栅的敏感性来精确测量外部物理量的变化。例如，当光纤受到应力或温度变化时，其内部光栅的周期会发生微小改变，进而导致反射或透射光谱发生偏移，通过测量这种偏移量，就可以得知应力的大小或温度的高低。更让我震撼的是，书中还介绍了如何利用微结构光纤的独特传感机制，实现对气体浓度、液体介质、甚至生物分子的检测。这种非接触式、高灵敏度的传感方式，在很多传统技术难以实现的场景下，展现出了巨大的优势。书中的案例分析，例如利用微结构光纤光栅监测桥梁结构的变形，或者用于早期癌症的诊断，都让我对这项技术充满信心和期待。这本书让我看到了科技如何以前所未有的方式，悄然改变着我们的生活。

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这本书在“传感应用”方面的探讨，可谓是独具匠心，它将前沿的理论技术与实际需求紧密结合，描绘了一幅激动人心的未来图景。作者在分析不同传感应用时，不仅仅是罗列传感器类型，更是深入剖析了微结构光纤光栅在特定场景下为何能够胜任，以及它相较于传统传感器的独特优势。例如，在恶劣环境下（如高温、高压、腐蚀性介质）的监测，微结构光纤光栅凭借其优异的耐受性，展现出传统电子传感器无法比拟的可靠性。书中关于“分布式传感”的介绍，尤其让我眼前一亮，它揭示了如何通过一条光纤同时监测多个点的物理量变化，这对于大范围、长距离的监测任务，例如油气管道的泄漏检测，具有划时代的意义。此外，书中对“生物医学传感”的详细论述，也让我看到了这项技术在疾病诊断、药物递送等领域的巨大潜力，这种高精度、高灵敏度的非侵入式传感方式，有望为医疗健康带来革命性的进步。总而言之，这本书让我深刻体会到微结构光纤光栅不仅仅是一项物理学研究，更是一项能够切实解决现实问题、推动社会发展的关键技术，让我对未来的科技发展充满了好奇和期待。

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这本书的深度和广度都超出了我的预期，它不仅仅是理论的堆砌，更充满了实践的智慧。在“制备工艺”这一部分，作者详细介绍了当前主流的微结构光纤制备技术，包括了拉锥法、空气填充法、以及一些更前沿的纳米刻蚀技术。每一个工艺都配有详细的步骤解析、关键参数的讨论，甚至连可能遇到的挑战和解决方案都有提及。这让我第一次了解到，原来制造出这样一根精密的光纤，需要如此精密的设备和严谨的操作。书里关于“侧向抛光”和“化学腐蚀”等方法的描述，对我来说尤其具有启发性，让我理解了如何通过物理和化学手段来精确地改变光纤的横截面形状，从而实现对内部结构的控制。同时，作者也巧妙地将理论与实践相结合，在讲解工艺的同时，穿插了大量的实验数据和案例分析，例如不同制备参数对光纤透射谱的影响，以及如何通过优化工艺来提高器件的稳定性和重复性。这本书对于那些希望从理论走向实践，或者正在从事相关研究的工程师和科研人员来说，无疑是一本不可多得的案头宝典，它提供了一个非常扎实的理论基础和丰富的实践指导。

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本书在理论层面深入浅出，特别是对于光栅的物理原理的阐述，让我豁然开朗。作者并没有直接抛出复杂的数学公式，而是从最基本的干涉原理讲起，一步步引导读者理解光栅是如何通过周期性的折射率调制来形成光谱特性的。书中关于“布拉格光栅”的介绍，让我明白了为什么光栅能够精确地反射特定波长的光，而允许其他波长的光通过。同时，对于“长周期光栅”的讲解，也让我看到了不同的周期性结构如何产生更丰富的光学效应，例如在透射谱中出现多个损耗峰。书中大量的示意图和数学推导过程，虽然严谨，但被组织得非常清晰，使得我可以循序渐进地理解其中的逻辑。我特别欣赏作者对于各种光栅类型及其对应物理机制的细致区分，例如点阵光栅、相移光栅等，这让我能够更准确地理解不同光栅的设计思路和应用特点。即使对于我这样光学背景不算深厚的读者，也能通过这本书逐步建立起对微结构光纤光栅光学特性的扎实理解，为后续的深入研究打下了坚实的基础。