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： 科学出版社有限责任公司

ISBN：9787030489159

版次：01

商品编码：11977942

包装：平装

开本：32开

出版时间：2016-06-01

页数：156

正文语种：中文

内容简介

本书主要分3个部分。第1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。

前言/序言

《微结构光纤光栅：原理、技术与前沿应用》 引言 在现代科技飞速发展的浪潮中，光纤技术作为信息传输与传感领域的核心驱动力，其发展从未止步。微结构光纤（Microstructured Optical Fiber, MOF），又称多孔光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF），凭借其独特的几何结构和新颖的光场调控机制，为光纤技术的革新注入了强大的生命力。而将光栅技术与微结构光纤巧妙结合，则催生出微结构光纤光栅（Microstructured Fiber Grating, MMFG）。MMFG不仅继承了传统光纤光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的诸多优点，如高灵敏度、可追溯性、抗电磁干扰等，更是在传感、通信、激光器等领域展现出前所未有的性能优势和应用潜力。 本书《微结构光纤光栅：原理、技术与前沿应用》旨在全面深入地探讨微结构光纤光栅的理论基础、制备方法、关键特性以及在各个领域的创新应用。我们致力于为读者提供一个系统、详尽的学习平台，帮助理解这一交叉学科的最新进展，并激发未来研究与开发的灵感。 第一章：微结构光纤基础理论 本章将从微结构光纤的基本概念出发，为理解微结构光纤光栅奠定坚实的理论基础。我们将详细介绍： 微结构光纤的分类与结构特征： 深入解析以“空芯光纤”和“实芯光纤”为代表的两种主流MOF结构，重点阐述其横截面形状、空气孔排布、孔径大小、包层材料等关键几何参数如何影响光传播特性。我们将通过丰富的插图和示意图，直观展示不同类型MOF的结构特点，如六边形、方形、随机排布的空气孔等，以及其独特的“光子带隙效应”和“全内反射”两种主要的导光机制。 光场在微结构光纤中的传播机制： 详细讨论微结构光纤的有效折射率、模式场分布、模场直径、模式耦合等基本概念。我们将介绍如何利用数值方法，如有限元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）、模式求解器等，来精确计算和预测光在MOF中的传播行为。重点分析空气孔的存在如何改变光纤的有效折射率，从而实现传统单模光纤难以实现的色散、非线性效应的调控。 微结构光纤的关键光学特性： 深入探讨MOF在色散工程、非线性光学、偏振保持、模式分离等方面的独特优势。我们将详细分析大净值色散、零色散波长可调、高度非线性效应、偏振相关损耗极低等特性，并解释这些特性是如何由光纤的微结构决定的。 第二章：微结构光纤光栅的形成原理 本章将聚焦微结构光纤光栅的形成机制，深入解析光栅在MOF中的构建过程： 光栅的基本原理回顾： 简要回顾传统光纤光栅（FBG）的形成原理，即通过周期性地改变光纤纤芯的折射率，在光纤中形成周期性的衍射结构，进而实现对特定波长光的反射或透射。 微结构光纤光栅的制备方法： 详细介绍当前主流的MMFG制备技术，包括： 紫外（UV）写入法： 重点阐述基于高能紫外激光的周期性曝光技术，以及如何针对MOF的特殊结构（如存在空气孔）进行优化，包括曝光剂量、周期、深度以及对MOF内部纤芯的精准作用。 飞秒激光直写法： 深入解析飞秒激光在MOF内部或表面实现高精度、三维周期性折射率调制的技术原理，包括聚焦控制、扫描路径、脉冲能量等关键参数的优化。 相位掩模法与聚焦色散法： 探讨这些辅助技术如何应用于MOF光栅的制备，以实现更精确的周期性和更优良的光谱特性。 熔融拉伸法与热处理法： 介绍基于毛细管拉伸法制备MOF，并在其内部形成特定周期结构的技术，以及后续热处理对光栅性能的影响。 影响光栅特性的关键因素： 详细分析制备过程中，光栅周期、光栅长度、折射率调制深度、MOF的几何结构（空气孔直径、间距、排布）、以及写入深度等参数如何协同作用，最终决定MMFG的反射/透射光谱、反射率、带宽、消光比、偏振特性等。 第三章：微结构光纤光栅的关键特性 本章将深入探讨微结构光纤光栅所展现出的独特和优越的光学特性： 光谱特性分析： 详细分析MMFG的光谱响应，包括中心波长、反射/透射带宽、旁瓣抑制、多峰现象等。重点关注MOF结构对光栅光谱的影响，例如空气孔的尺寸和分布如何影响有效折射率的分布，进而改变光栅的耦合效率和光谱形状。 色散特性： 深入研究MMFG的色散特性，包括群速度色散（GVD）和高阶色散。阐述如何利用MOF独特的色散工程能力，实现宽带、可调的色散特性，为超快光脉冲的产生和整形提供可能。 非线性特性： 详细分析MMFG增强的非线性光学效应，如克尔效应、拉曼散射、斯托克斯/反斯托克斯散射等。解释空气孔结构如何集中光场，降低有效模场面积，从而显著提高非线性效应的强度，为非线性光学应用提供平台。 偏振特性： 探讨MMFG的偏振保持能力和偏振无关性。分析不同MOF结构（如非对称空气孔）如何诱导和调控光纤的偏振特性，以及光栅的引入如何影响其偏振模式耦合。 多模与宽带光栅： 介绍如何制备多模MMFG，以及如何实现宽带、平坦的光栅响应，这对于一些特殊应用至关重要。 第四章：微结构光纤光栅在传感领域的应用 本章将重点聚焦微结构光纤光栅在传感领域的广泛而深入的应用，展示其在高灵敏度、多参数、智能化传感方面的巨大潜力： 基于有效折射率调制的传感： 温度传感： 详细阐述MMFG如何利用其对温度敏感的有效折射率变化来精确测量温度。分析空气孔的存在如何影响热膨胀系数和热光系数，以及如何设计特殊结构的MOF来提高温度传感的灵敏度和线性度。 应力/应变传感： 深入探讨MMFG对机械应力的敏感性，以及如何通过分析光栅光谱的移动来定量测量应力或应变。重点介绍其在桥梁、建筑、航空航天等领域的应用前景。 压力传感： 分析空气孔在受到外部压力时发生形变，进而改变光场分布和有效折射率，从而实现对压力的传感。 折射率传感： 重点介绍利用MOF的包层模式激励能力，当传感介质进入空气孔后，引起有效折射率变化，导致光栅光谱的移动，从而实现对液体或气体折射率的精确测量。我们将详细讨论其在生物、化学、环境监测中的应用，如血糖、pH值、污染物检测等。 基于空气孔填充的传感： 详细介绍如何通过填充不同折射率的介质（液体、气体、纳米颗粒、生物分子等）到MOF的空气孔中，改变光纤的有效折射率，进而引起光栅光谱的变化，实现对填充物质的传感。 多参数传感： 探讨如何巧妙设计MMFG的结构和制备光栅，使其能够同时响应多种环境参数（如温度和应力），并利用信号处理技术实现多参数的解耦和独立测量。 新型传感原理与技术： 介绍一些前沿的MMFG传感应用，如光纤陀螺、光纤激光传感器、表面等离激元增强传感等。 第五章：微结构光纤光栅在其他领域的应用 除了在传感领域的突出表现，微结构光纤光栅在通信、激光、光信号处理等方面也展现出强大的应用前景： 光通信： 色散补偿： 利用MOF可调的色散特性，设计出宽带、高效的色散补偿器件，用于高速光通信系统，克服色散引起的信号衰减。 光开关与调制器： 探讨如何通过外加电场、磁场、温度等因素，改变MOF的有效折射率，实现光信号的快速开关和调制。 光纤激光器： 激光谐振腔： 将MMFG用作光纤激光器的谐振腔反射镜，利用其特殊的反射特性，实现特定波长、宽带、飞秒脉冲等特性的激光输出。 激光增益介质： 探讨将发光稀土离子掺杂到MOF的纤芯或包层中，并利用MMFG作为其谐振腔，实现高性能光纤激光器的研制。 光信号处理： 光滤波器： 利用MMFG精确的光谱控制能力，设计出高性能的光滤波器，用于滤除噪声、分离信号等。 模式复用/解复用： 探讨如何利用多模MMFG和光栅技术，实现多通道光信号的复用和解复用，提高光纤通信的容量。 光延迟线： 利用光在光纤中的传播时间，设计可调的光延迟线，用于时钟同步、脉冲整形等。 第六章：未来发展趋势与挑战 本章将对微结构光纤光栅的未来发展方向进行展望，并指出当前面临的挑战： 新型MOF结构的设计与制备： 探讨更精细、更智能的MOF结构设计，例如带有空心芯、多功能包层、集成纳米材料的MOF，以及更易于制备和规模化的MOF制造工艺。 先进的MMFG制备技术： 探索更高效、更精确、更灵活的MMFG写入方法，例如基于AI辅助的光栅设计与写入、原位可调光栅等。 性能提升与智能化： 致力于进一步提升MMFG的灵敏度、选择性、稳定性、动态范围以及多功能集成能力。 跨领域融合与新应用： 展望MMFG与其他前沿技术（如量子技术、生物技术、纳米技术）的融合，孕育出革命性的新应用。 面临的挑战： 指出当前在MOF制备成本、大批量生产、标准化、以及实际应用中的长期稳定性、环境适应性等方面仍需克服的困难。 结论 《微结构光纤光栅：原理、技术与前沿应用》一书，旨在为读者提供一个全面、深入、前瞻性的视角，理解微结构光纤光栅这一蓬勃发展的交叉学科。本书内容涵盖了从基础理论到前沿应用的各个层面，并对未来发展趋势进行了展望。我们相信，通过对本书的学习，读者将能深刻领会微结构光纤光栅的独特魅力，并为其在科学研究和技术创新领域开辟新的道路。 参考文献 （此处将列出大量相关的学术文献、期刊文章、会议论文等，以支持本书内容的严谨性和学术性，此处省略具体列表。）

评分☆☆☆☆☆

我是一名对物理光学领域比较感兴趣的在校学生，平日里接触到的光纤传感技术也多是基础理论。这本书的名字《微结构光纤光栅特性、制备工艺与传感应用研究》引起了我的注意，我希望能从这本书中了解一些更深入、更前沿的知识。在翻阅过程中，我发现书中对于“特性”的描述，更多地偏向于理论推导和数学模型，这对于我这样需要打牢基础的学生来说，虽然有深度，但有时会觉得有些晦涩难懂，需要花费不少时间去消化。不过，书中对于一些光学原理的讲解，例如“模式耦合”、“谐振条件”等，还是比较清晰的，让我对光栅的产生和工作机理有了更系统的认识。我更希望书中能够增加一些直观的图示，例如不同微结构下光的传播路径示意图，或者不同波长下的光谱分布示意图，这样能够帮助我更好地理解抽象的理论概念。当然，这本书在“制备工艺”和“传感应用”方面的内容，也让我对这项技术的实际操作和未来发展有了初步的了解，但总的来说，对于我这个阶段的学习而言，可能还需要更多与实际实验相结合的案例来加深理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书我拿到手已经有些日子了，期间断断续续地翻阅，总体感受是这本书在微结构光纤光栅这个领域的研究深度是毋庸置疑的。虽然我个人对这个领域并非科班出身，但书中对于各种微结构光纤光栅的“特性”部分的讲解，从理论模型的建立到实验数据的分析，都做得非常细致。尤其是关于不同结构参数对光栅反射谱、透射谱以及损耗特性的影响，作者都给出了详尽的论述，并且引用了大量的参考文献来支撑其观点。我特别留意了书中关于“波导色散”、“高阶模式”以及“非线性效应”在微结构光纤光栅中的表现，作者通过数学推导和仿真模拟，清晰地展示了这些物理现象是如何影响光栅性能的，对于想要深入理解微结构光纤光栅工作原理的读者来说，这部分内容无疑是极具价值的。同时，书中对一些前沿性的微结构设计，例如“空芯光纤光栅”、“多芯光纤光栅”等，也进行了初步的探讨，虽然篇幅不算特别长，但足以让人窥见未来可能的发展方向。我个人觉得，如果能对这些新型结构的光栅特性进行更深入的实验验证和详细的参数分析，相信会更具吸引力。

评分☆☆☆☆☆

对于这本书，我最大的感受是它在“制备工艺”和“传感应用”的结合上做得相当出色。书中不仅仅停留在理论层面，而是将微结构光纤光栅的理论特性与实际的制备方法以及由此衍生的各种传感应用有机地结合起来。例如，在介绍某种传感应用时，作者会详细说明为了实现这种应用，需要采用何种特定的微结构设计，以及这种微结构是如何通过特定的制备工艺来实现的。这种“从需求出发，到设计，再到实现”的逻辑链条，使得整本书的阅读体验非常流畅和连贯。我特别欣赏书中对于一些新型传感应用的探索，例如在生物传感领域，如何利用微结构光纤光栅的表面改性技术，实现对特定生物分子的检测。这种将物理学原理与生物学、化学等交叉学科结合的应用，充分展现了微结构光纤光栅技术的广阔前景。此外，书中还对一些制备过程中可能遇到的技术瓶颈以及相应的解决方案进行了讨论，这对于想要将实验室研究成果转化为实际产品的研究人员来说，具有非常重要的指导意义。

评分☆☆☆☆☆

这本书的“传感应用”部分，则将微结构光纤光栅的理论和制备与实际应用紧密地联系了起来，展现了这项技术强大的生命力。书中列举了多种利用微结构光纤光栅进行传感的典型案例，包括但不限于温度传感、应力传感、折射率传感、生物化学传感等等。对于每一种传感应用，作者都详细介绍了其工作原理，包括如何利用微结构光纤光栅对外界环境参数变化的敏感性，通过监测反射（或透射）光谱的移动来实现传感。我特别关注了书中关于“高灵敏度温度传感”和“高精度应力传感”的章节，作者通过改变光纤的微结构设计，优化了光栅对温度和应力的响应特性，并给出了相应的实验数据支持。此外，书中还探讨了利用微结构光纤光栅进行“多参数传感”的思路，这对于提高传感系统的集成度和效率具有重要意义。读到这里，我脑海中已经浮现出许多将这些技术应用于实际工业检测、环境监测甚至医疗诊断的场景，这本书无疑为这些应用提供了坚实的技术基础和灵感来源。

评分☆☆☆☆☆

“制备工艺”这部分内容，可以说是我在这本书中收获最大的地方。我一直对微结构光纤光栅是如何“制造”出来的充满好奇，而这本书恰恰满足了我的这份好奇心。它系统地介绍了多种主流的微结构光纤光栅制备方法，从传统的紫外曝光法、相干布拉格光栅写入法，到近年来兴起的飞秒激光直写技术、电化学腐蚀法等，都进行了详尽的阐述。对于每一种方法，书中都详细描述了其基本原理、实验步骤、所需的关键设备以及可能遇到的难点和挑战。我尤其对飞秒激光直写技术印象深刻，书中详细介绍了如何通过精确控制激光脉冲的能量、重复频率、扫描速度以及光纤的运动轨迹，来刻写出不同几何形状和尺寸的微结构，进而实现对光栅特性的调控。书中还穿插了一些实际的制备案例，通过图文并茂的方式，展现了不同工艺下制备出的微结构光纤光栅的形貌，以及这些形貌与光栅性能之间的关联，这对于想要实际操作的科研人员来说，无疑是一份宝贵的参考指南。当然，对于不同工艺的优缺点比较和适用范围的界定，如果能再增加一些定量的对比数据，会更加全面。