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

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

毕卫红 等 著

图书标签:

• 微结构光纤光栅
• 光纤光栅
• 光纤传感
• 微结构光纤
• 传感技术
• 光通信
• 光学
• 材料科学
• 器件
• 毕卫红

店铺： 典则俊雅图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030489159

商品编码：29794395736

包装：平装

出版时间：2016-06-01

图书基本信息,请以下列介绍为准
书名	微结构光纤光栅特性、制备工艺与传感应用研究
作者	毕卫红 等
定价	60.00元
ISBN号	9787030489159
出版社	科学出版社
出版日期	2016-06-01
版次	1

其他参考信息（以实物为准）
装帧：平装	开本：	重量：0.4
版次：1	字数：	页码：

插图

目录

内容提要

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。

编辑推荐

导语_点评_推荐词

作者介绍

序言

《微结构光纤光栅特性、制备工艺与传感应用研究》 导论 光学传感技术，作为信息获取和处理的关键手段，在现代科学研究和工业应用中扮演着越来越重要的角色。微结构光纤光栅（Microstructured Fiber Gratings, MFGs）作为一种新型的光纤传感元件，凭借其独特的结构优势和优异的传感性能，正逐渐成为光学传感领域的研究热点。本文旨在深入探讨微结构光纤光栅的特性、制备工艺以及在传感领域的广泛应用，为相关领域的研究人员和工程师提供全面的参考。 第一章 微结构光纤光栅的基本原理与特性 1.1 光纤光栅概述 光纤光栅（Fiber Bragg Gratings, FBGs）是一种将周期性的折射率调制引入光纤纤芯中的光学器件。当光传播到光纤光栅区域时，会发生布拉格衍射，只有特定波长（布拉格波长）的光会被反射回来，而其他波长的光则透射。布拉格波长（$lambda_B$）与光栅周期（$Lambda$）和纤芯有效折射率（$n_{eff}$）之间存在以下关系： $lambda_B = 2n_{eff}Lambda$ 这种对特定波长的选择性反射特性使得光纤光栅成为一种理想的光学滤波器和传感器。 1.2 微结构光纤（MOF） 微结构光纤（Microstructured Optical Fiber, MOF），又称多孔光纤或晶格光纤，是指在光纤横截面中引入周期性空气孔或其它介质孔结构的特种光纤。根据其结构特点，MOF可分为两类： 索引导引型MOF (Index-guiding MOF): 其导光机制类似于传统单模光纤，通过芯层与包层之间的有效折射率差来实现全内反射。横截面上的空气孔对有效折射率产生影响，从而调控其光学特性。 带隙导引型MOF (Photonic bandgap MOF): 其导光机制依赖于光子晶体带隙效应。通过在光纤包层中形成周期性介质结构（如空气孔阵列），在该结构上形成一定波长范围内的光学带隙，阻止特定波长的光传播，从而实现导光。 MOF独特的横截面结构赋予了其远超传统光纤的自由设计度，可以实现很多传统光纤难以实现的光学特性，例如： 单模传输宽带化： 允许在较宽的波长范围内实现单模传输。 模式控制： 能够控制光纤的模式数量和模式场分布。 非线性效应增强： 通过减小纤芯尺寸或增加光场在空气孔中的比例，可以显著增强非线性光学效应。 对外部环境敏感性增强： 空气孔的存在为外部环境（如气体、液体、温度、压力等）提供了直接作用的通道，从而显著提高光纤对外部环境的敏感度。 1.3 微结构光纤光栅（MFG） 微结构光纤光栅是将光纤光栅的写入技术应用于微结构光纤中而形成的光栅。与传统光纤光栅相比，MFG在结构和光学特性上具有显著的差异和优势： 多样化的结构设计： MFG的结构受限于MOF的横截面结构，可以设计成各种复杂的周期性折射率调制。例如，可以在MOF的实芯区域、空气孔内部或空气孔壁上实现折射率调制。 多波长反射特性： 通过在MOF的不同区域或采用不同的光栅周期，可以制备出具有多个反射峰的光纤光栅，实现多波长复用。 增强的传感性能： MOF固有的对外部环境的高敏感性，与光纤光栅的传感原理相结合，使得MFG在传感应用方面展现出巨大的潜力。例如，空气孔中的介质变化可以直接影响MFG的有效折射率，进而引起布拉格波长的移动。 独特的光谱特性： MFG的光谱特性不仅与光栅周期和有效折射率有关，还与MOF的模式结构、导光机制以及外部环境对MOF结构的影响密切相关。 1.4 MFG的关键特性 布拉格波长： 与FBG类似，MFG也有其特定的布拉格波长，该波长对外部环境变化敏感。 光谱宽度（Bandwidth）： 反射光谱的宽度，与光栅的长度、调制深度和啁啾度有关。 反射率（Reflectivity）： 光栅能够反射特定波长光的比例。 串扰（Crosstalk）： 不同光栅单元之间的相互影响，可能导致光谱失真。 模式依赖性： MFG的光谱特性可能依赖于注入光纤的模式，这在多模MOF中尤为重要。 极化依赖性： 一些MOF结构本身具有双折射特性，导致MFG对光的偏振态敏感。 第二章 微结构光纤光栅的制备工艺 2.1 光纤光栅写入技术回顾 光纤光栅的制备通常是通过周期性地改变光纤纤芯的折射率来实现的。主要的写入技术包括： 紫外（UV）激光直写法： 利用高能量的紫外激光束直接照射光纤，在光敏光纤中引发折射率变化。 相掩模法（Phase Mask Method）： 使用预先制作好的相掩模作为光学元件，将紫外激光束整形并聚焦在光纤表面，实现周期性的折射率调制。 干涉曝光法（Interference Method）： 将紫外激光束分成两束，并使其在光纤表面相干叠加，形成干涉条纹，从而实现周期性的折射率调制。 2.2 MFG的制备挑战与策略 将光纤光栅写入技术应用于MOF面临一些独特的挑战： 复杂的横截面结构： MOF的空气孔结构可能会影响紫外激光的穿透和均匀性，导致折射率调制的不均匀。 材料的选择： MOF的材料（如石英、特种玻璃）和空气孔中的填充物（如果存在）会影响光敏性和光栅的稳定性。 精确的定位： 需要精确控制紫外激光束的照射位置，以在MOF的特定区域（如实芯、空气孔内）写入光栅。 多模传输： 许多MOF支持多模传输，如何在多模环境中实现高质量的光栅写入并精确控制其特性是一个难点。 针对这些挑战，MFG的制备发展出多种策略： 基于MOF结构的写入： 实芯MOF光栅： 利用高能量紫外激光直接写入MOF的实芯区域，类似于传统光纤光栅的制备。 空气孔内填充后写入： 将特定的敏感液体或气体填充到MOF的空气孔中，然后通过UV写入光栅，使其能够感知填充物的变化。 空气孔壁写入： 利用精密控制的紫外激光束，在MOF的空气孔壁上实现折射率调制，这种方式在某些结构中具有潜在的传感优势。 特种MOF的制备与光栅写入结合： 高温退火法（Annealing Method）： 利用高温退火来改变MOF内部材料的折射率，或者预先制备具有特定折射率分布的MOF，再进行光栅写入。 激光诱导熔融法（Laser-induced Melting）： 利用飞秒激光等高能量激光，在MOF内部产生局部熔融和再凝固，从而实现折射率的改变。 飞秒激光长周期光栅（Femtosecond Laser Long-period Gratings, FS-LPFG）写入： 利用飞秒激光在MOF侧壁或内部刻蚀长周期结构，形成长周期光栅，其原理与FBG不同，是基于模式耦合。 填充技术与光栅写入协同： 预填充后写入： 在写入光栅之前，先将MOF的空气孔填充特定物质，然后进行光栅写入。 边充边写： 在进行光栅写入的过程中，同时向空气孔中填充物质，利用环境变化对光栅特性进行调制。 2.3 常用MFG制备设备与工艺流程 设备： 高功率紫外激光器（如Excimer激光器）、精密光学平台、显微镜、光纤熔接机、显微成像系统、气体/液体注入设备等。 工艺流程： 1. MOF选择与预处理： 选择合适的MOF结构，并根据需要进行清洁和活化。 2. 光栅写入： 根据所选的写入技术，使用紫外激光或其他方法在MOF的指定区域进行折射率调制。 3. 后处理（可选）： 如退火、填充、封装等。 4. 性能表征： 利用光谱仪、显微镜等设备对制备的光栅进行光谱、结构和性能测试。 第三章 微结构光纤光栅的传感应用 MFG凭借其独特的光学特性和高敏感性，在众多传感领域展现出巨大的应用潜力。其传感机制主要基于外部环境变化引起MOF结构变化、填充物折射率变化或模式传输特性的改变，从而导致MFG的布拉格波长、光谱形状或透射/反射谱发生移动或变化。 3.1 温度传感 温度是MFG最常见的传感参数之一。MOF材料本身的热膨胀系数和折射率温度系数，以及空气孔中填充物的热特性，都会影响MFG的光谱。MFG相比传统FBG在温度传感方面可能具有更高的灵敏度，特别是在填充了对温度敏感的物质后。 应用场景： 工业高温监测、生物医学温度测量、环境温度监测等。 3.2 压力/应力传感 MOF的空气孔结构对外部压力或应力非常敏感。当施加外部压力或应力时，MOF的结构会发生形变，导致有效折射率和光栅周期的变化，进而引起布拉格波长的漂移。特殊设计的MOF结构，如对称性被破坏的MOF，对压力和应力可能表现出更强的敏感性和方向性。 应用场景： 结构健康监测（桥梁、建筑）、航空航天应力检测、生物力学测量、压力传感器等。 3.3 湿度/气体传感 MOF的空气孔为外部环境介质（如水蒸气、特定气体）提供了直接的接触通道。当空气孔被水蒸气或其他气体填充或其浓度发生变化时，会直接改变MOF的有效折射率，从而引起MFG光谱的移动。通过选择对目标气体敏感的填充物，可以实现高选择性的气体传感。 应用场景： 环境污染物监测、工业过程气体检测、食品安全检测、生物医学气体分析等。 3.4 液体传感与折射率测量 MFG可以用于直接测量液体介质的折射率。将MOF浸入待测液体中，当液体填充到空气孔或与MOF表面接触时，会改变MOF的有效折射率，引起MFG光谱的变化。这种方法尤其适用于微量液体的折射率测量。 应用场景： 化学成分分析、食品和饮料行业质量控制、生物样品分析等。 3.5 生物传感 MFG在生物传感领域具有巨大的潜力，可以用于检测生物分子（如DNA、蛋白质、葡萄糖）的浓度变化。通过在MOF表面或空气孔内进行生物分子标记，当目标生物分子与标记物结合时，会导致MOF有效折射率或表面等离子体共振（SPR）等效应的改变，从而被MFG光谱的变化所检测。 应用场景： 疾病诊断、药物筛选、环境微生物检测、生物过程实时监控等。 3.6 其他应用 除了上述主要应用外，MFG还在以下领域有潜在应用： 位移传感： 通过特定的结构设计，MFG可以对微小位移产生敏感响应。 磁场传感： 将磁致伸缩材料填充到MOF空气孔中，可实现磁场传感。 声波传感： MOF对声波的敏感性使其可以作为声波传感器。 光开关与调制器： 利用MFG的光谱特性，可以构建光开关和调制器。 第四章 结论与展望 微结构光纤光栅作为一种新兴的光学传感元件，融合了微结构光纤优异的结构设计自由度和光纤光栅精确的光谱响应特性，在传感技术领域展现出广阔的应用前景。本文详细阐述了MFG的基本原理、核心特性、多样化的制备工艺以及其在温度、压力、湿度、气体、液体、生物等众多领域的传感应用。 尽管MFG的研究和应用已取得显著进展，但仍存在一些挑战和待解决的问题： 制备工艺的标准化与规模化： MOF的制备本身就具有一定难度，MFG的制备工艺仍需进一步优化，以实现更稳定、可重复且规模化的生产。 传感灵敏度与选择性的提升： 尽管MFG已展现出优异的传感性能，但如何进一步提高其在特定参数上的灵敏度和对其他干扰因素的选择性，仍是研究的重点。 多参数集成传感： 将多个MFG或MFG与其他传感器集成，实现对多个环境参数的同时、同步测量，是未来传感器发展的重要方向。 信号处理与智能化： 结合先进的信号处理技术和人工智能算法，对MFG输出的复杂光谱信号进行解译，实现更智能化的传感系统。 长期稳定性的研究： 对于一些在恶劣环境或长期监测应用中的MFG，其长期稳定性、抗老化能力和可靠性需要更深入的研究和验证。 展望未来，随着MOF制造技术的不断进步和光栅写入技术的日益成熟，微结构光纤光栅有望在航空航天、环境监测、生物医学、工业自动化以及国防安全等众多领域发挥越来越重要的作用，为构建更加智能、高效和安全的信息化社会贡献力量。对MFG特性的深入理解、制备工艺的不断创新以及传感应用的持续拓展，将是推动该领域向前发展的重要驱动力。

评分☆☆☆☆☆

本书的理论深度和广度令人敬佩，它成功地将光学、材料科学与精密工程学熔于一炉。尤其是在涉及模场有效折射率、非线性效应以及多模干扰（MMI）等方面时，作者的数学功底和物理洞察力展现得淋漓尽致。公式推导严谨，每一步的物理意义都解释得清晰明了，没有为了炫耀复杂性而堆砌公式，而是服务于对物理现象的精确描述。例如，在分析基于微结构光纤光栅的偏振敏感性时，它不仅给出了数学模型，还结合了实际光纤的几何非对称性如何影响双折射率，这一点是许多仅关注理想圆对称光纤的文献所忽略的。这种对“非理想化”现实世界的关注，使得本书的结论更具普适性和可靠性。对于资深的科研人员而言，书中引用的最新进展和对前沿挑战的展望，也提供了不少值得深入研究的新思路和新方向，它在提供扎实基础的同时，也肩负起了引领未来研究的使命感。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计和印刷质量给我留下了非常深刻的印象。封面采用了哑光处理，手感温润，设计风格简洁又不失专业感，中央的彩色插图清晰地展示了几种典型光纤光栅的结构示意图，色彩搭配和谐，让人一眼就能感受到内容的深度与广度。内页纸张选择偏米白色的轻型纸，有效减轻了阅读时的视觉疲劳，即便是长时间面对密集的公式和复杂的图表，眼睛也不会感到酸涩。装订方面，采用了坚固的锁线胶装，书页翻开平整度极佳，即便是翻阅到书脊的中心部分，文字和图像也都能完整呈现，这对于需要反复查阅和比对公式的科研人员来说，无疑是一个巨大的便利。作者在细节上的用心，使得这本书不仅仅是一本工具书，更像是一件值得收藏的工艺品。特别是扉页上对研究背景和重要性的阐述，语言精炼，一下子就把读者带入了微纳光学器件的迷人世界，为后续深入学习奠定了极佳的阅读心境。这种对物理实体质量的重视，体现了出版方对学术成果的尊重，也反映出该领域研究的严谨性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的章节逻辑安排得极其巧妙，它并非简单地将理论、实验和应用堆砌在一起，而是一条清晰、层层递进的学习路径。开篇部分对光纤光栅的基本原理，特别是布拉格耦合理论的阐述，采用了“先定性认识，后定量推导”的策略，即便是初次接触此领域的读者，也能借助清晰的图示快速掌握核心概念。随后，作者深入到不同类型微结构光纤光栅的构建及其对模场分布的影响分析，这一部分的数据展示和仿真结果对比做得非常到位，使得抽象的电磁场理论变得可视化。尤其欣赏的是，在讨论制备工艺时，它没有停留在宏观的流程描述，而是细致地剖析了不同加工参数（如紫外曝光剂量、折射率变化率）对最终器件性能的影响曲线，这种“工艺参数-结构形貌-光学响应”之间的链式关系被梳理得井井有条。这种结构安排极大地降低了知识吸收的门槛，让复杂的跨学科内容变得触手可及，非常适合作为高年级本科生或研究生入门的教材或参考手册。

评分☆☆☆☆☆

总而言之，这本书像是一部集大成的“工具箱”，它不仅包含了光栅物理的精妙理论，更重要的是，它提供了一套完整的“从零到一”的工程化思维框架。书中对传感应用的论述极其全面，从温度、应变这类经典应用，到折射率、生物分子检测等前沿领域，覆盖面极广。特别是对如何设计一种具有特定灵敏度的新型传感结构，书中的方法论指导性非常强。它教会读者如何根据需求反向推导所需的结构参数和材料选择。阅读完后，我感觉自己对微结构光纤光栅这一工具的掌控能力有了质的飞跃，不再是零散知识点的记忆，而是一种系统性的、可操作的工程能力。它不仅仅是记录了“已有的知识”，更像是在激发读者“创造未来的传感器”的潜能，是光学传感领域不可多得的精品力作。

评分☆☆☆☆☆

阅读过程中，我发现本书最大的亮点之一在于它对实验技术和实际挑战的坦诚探讨。许多教科书在介绍完完美理论后便戛然而止，留给读者的是面对真实世界时的“黑箱”操作。然而，这本书在这方面做得尤为出色。它详细介绍了气敏、液相传感应用中的环境因素耦合问题，以及如何通过优化光纤的特殊结构（比如引入包层气敏孔洞或应力导向结构）来增强特定指标的灵敏度和选择性。在讨论制备工艺的章节中，作者毫不避讳地提到了微纳加工过程中常见的缺陷和漂移现象，并附带了数个实际案例分析了如何通过反馈控制系统来校准和优化拉锥、刻蚀等步骤。这种深入到“工艺细节”和“工程实践”层面的描述，极大地提升了本书的实践指导价值，让读者真切感受到从“概念”到“产品”之间那段充满挑战的旅程。对于希望将理论研究转化为实际传感器的工程师来说，这部分内容简直是宝贵的“避坑指南”。