具体描述
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
作者：毕卫红 等
出版社：科学出版社
出版日期：2016-06-01
ISBN：9787030489159
字数：
页码：
版次：1
装帧：平装
开本：
商品重量：0.4kg
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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。
目录
作者介绍
文摘
序言
光纤光学：从基础到前沿应用 本书系统地阐述了光纤光学领域的核心理论、关键技术及其在现代科学和工业中的广泛应用。从光在光纤中的传播机理出发，深入剖析了各种光纤结构的设计原理和性能特点，并详细介绍了当前主流的光纤制备工艺。随后，本书重点聚焦于光纤传感技术的发展，涵盖了不同类型传感器的原理、设计、制备与性能表征。最后，本书将目光投向光纤技术的前沿研究方向，展望了其在通信、医疗、环境监测、材料科学等领域的未来发展趋势与挑战。 第一章 光纤传播基础 本章旨在为读者构建一个坚实的光纤光学理论基础。首先，从电磁波理论出发，介绍光在介质中传播的基本方程，并引入折射率的概念。随后，重点阐述全内反射（Total Internal Reflection, TIR）原理，这是光纤实现光信号约束传输的核心机制。在此基础上，详细分析了光在理想圆柱形光纤中的模式传播，引入了模式（Mode）和模式场（Mode Field）的概念，并解释了单模光纤（Single-mode Fiber, SMF）和多模光纤（Multi-mode Fiber, MMF）的结构差异及其对模式传播的影响。 接着，本章深入探讨了光纤中的基本损耗机制，包括吸收损耗（Absorption Loss）和散射损耗（Scattering Loss），并对其产生的原因和影响进行了量化分析。此外，还介绍了光纤的色散（Dispersion）现象，包括材料色散（Material Dispersion）和波导色散（Waveguide Dispersion），以及它们对光信号传输带宽和速率的影响。通过理解这些基础概念，读者能够为后续章节中更复杂的光纤特性和应用研究打下坚实的基础。 第二章 光纤结构设计与特性 本章将探讨构成光信号传输载体的关键——光纤的结构设计及其由此衍生的特性。我们将从最基础的石英光纤（Silica Fiber）入手，分析其芯层（Core）和包层（Cladding）的折射率分布如何决定光的传播模式。随后，将介绍梯度折射率光纤（Graded-index Fiber）的设计原理，并对比其与阶跃折射率光纤（Step-index Fiber）在模式传播和色散特性上的差异。 随着应用需求的不断提高，特种光纤（Specialty Fiber）应运而生。本章将详细介绍各种特种光纤的设计理念和应用场景，例如： 大模场光纤（Large Mode Area Fiber, LMAF）：通过优化纤芯结构，实现更大的模场直径，降低光纤非线性效应，适用于高功率激光和非线性光学研究。 保偏光纤（Polarization-Maintaining Fiber, PMF）：通过引入双折射（Birefringence）或形变，使光纤能够保持输入光的偏振状态，广泛应用于偏振相关的传感和通信系统。 多芯光纤（Multi-core Fiber, MCF）：在同一根光纤中集成多个独立的纤芯，实现空分复用（Space-Division Multiplexing, SDM），极大地提升了光纤通信的容量。 空芯光纤（Hollow-core Fiber, HCF）：将光信号限制在空心区域传播，有效降低了非线性效应和色散，为超高速通信和新型激光器提供了可能。 此外，本章还将讨论光纤的几何参数（如纤芯直径、包层直径、涂覆层厚度等）如何影响其机械性能、光学性能以及与其他光器件的耦合效率。通过深入理解不同光纤结构的设计原理，读者将能根据具体应用需求，选择或设计最适合的光纤类型。 第三章 光纤制备工艺 光纤性能的优劣在很大程度上取决于其制备工艺的精确度和控制水平。本章将系统介绍当前主流的光纤制备技术，从原材料的准备到最终成型的光纤，每一个环节都至关重要。 我们将首先介绍化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）技术，包括： 外层CVD（Outside Vapor Deposition, OVD）：通过火焰将掺杂的二氧化硅颗粒沉积在旋转的玻璃棒外表面，然后烧结成预制棒。 轴内CVD（Inside Vapor Deposition, IVD）：主要包括改进型CVD（Modified CVD, MCVD）和等离子体增强CVD（Plasma-Enhanced CVD, PCVD）。MCVD通过化学反应在旋转的石英管内壁生成纤芯和包层材料，PCVD则利用等离子体加热，反应速度更快，可制备更精细的结构。 气相轴向沉积（Vapor Axial Deposition, VAD）：通过火焰将气相反应物直接沉积在生长中的预制棒端部，可实现连续生产。 这些CVD技术的核心在于精确控制原材料（如四氯化硅、四氯化锗、四氯化钛等）的掺杂比例和反应温度，以获得具有特定折射率分布的预制棒。 接着，本章将详细阐述预制棒拉丝（Fiber Drawing）过程。预制棒被送入高温炉（通常高于2000°C），在精确控制的温度、拉速和张力下被拉伸成细长的光纤。拉丝过程中，光纤的直径、涂覆层的附着以及光纤的应力状态都会对最终的光学性能产生显著影响。我们将探讨如何通过调整拉丝参数来优化光纤的力学强度、抗拉伸能力和长期可靠性。 对于特种光纤，可能还需要结合额外的工艺步骤，例如： 飞秒激光加工（Femtosecond Laser Machining）：用于在光纤内部或表面制造微结构，如光栅、耦合器或传感器结构。 化学腐蚀（Chemical Etching）：用于对光纤表面进行改性或形成特定形状的结构。 熔融堆积（Fusion Splicing）：用于将不同类型的光纤或微结构件连接在一起，以实现复杂的光学器件。 本章强调了制备工艺与光纤性能之间的紧密联系，为读者理解如何通过工艺优化来满足多样化的应用需求提供了理论依据。 第四章 光纤传感技术 光纤传感技术利用光在光纤中的传播特性来探测外界环境的变化，因其体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，已成为现代传感领域的重要组成部分。本章将深入探讨各种光纤传感的基本原理、设计方法和应用实例。 首先，我们将介绍基于折射率变化的传感机制： 表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）传感器：利用金属薄膜与光波的相互作用，当被测物质吸附在金属表面时，会引起SPR信号的变化，从而实现对生物分子、化学物质等的检测。 光纤光栅传感器（Fiber Grating Sensor）：将周期性的折射率变化写入光纤芯层，形成光栅。当外界温度、应力、压力等物理量变化时，会引起光栅的 Bragg 波长移动，从而实现传感。本章将详细介绍光栅的写入原理、类型（如FBG, Fiber Bragg Grating）以及其在温度、应变、压力等方面的传感应用。 其次，我们将探讨基于光传输损耗或强度变化的传感机制： 光纤衰减型传感器：例如，光纤中的生物涂层在吸附目标物质后，会引起光信号的衰减，通过监测衰减程度实现传感。 光纤反射型传感器：结合光纤反射镜和被测物质的响应，实现传感。 再次，我们将介绍基于光纤特性的传感机制： 偏振光纤传感器：利用保偏光纤的偏振保持特性，通过测量偏振态的变化来传感，如磁场传感器、应力传感器等。 多模光纤传感器：利用多模光纤中的模式色散或模式耦合变化来传感。 此外，本章还将涉及分布式光纤传感（Distributed Optical Fiber Sensing, DOFS），它能够沿整条光纤的任意位置进行传感，实现对环境参数（如温度、应变、振动）的连续监测。我们将介绍基于瑞利散射（Rayleigh Scattering）、拉曼散射（Raman Scattering）和布里渊散射（Brillouin Scattering）的分布式传感技术。 在传感应用方面，我们将涵盖： 环境监测：空气质量、水体污染、土壤监测等。 工业过程控制：温度、压力、流量、液位等参数的实时监测。 结构健康监测：桥梁、隧道、建筑物的应力、应变、振动监测，用于早期预警。 生物医学传感：血糖、pH值、DNA/RNA检测，以及无创医疗监测。 本章旨在让读者全面了解光纤传感技术的多元化和强大能力，以及其在各个领域的实际应用价值。 第五章 光纤技术前沿与未来展望 本章将目光投向光纤技术正在蓬勃发展的各个前沿领域，并对未来的发展趋势进行展望。 5.1 新型光纤结构与材料 拓扑光子学（Topological Photonics）：利用拓扑绝缘体或拓扑半金属的思想，设计具有鲁棒性边缘态传播的光纤，可以实现对光信号的无损传输。 超材料光纤（Metamaterial Fiber）：将超材料的负折射率、电磁诱导透明等特性引入光纤，有望实现全新的光学功能，如负折射、完美吸收等。 生物相容性光纤（Biocompatible Fiber）：开发可植入体内、无毒副作用的光纤，用于微创医疗诊断和治疗。 金属纳米粒子掺杂光纤：通过在光纤中引入金属纳米粒子，可以实现表面等离子体共振增强的光学效应，用于传感、光催化等。 5.2 先进光纤器件与集成 光纤激光器与放大器：随着新型掺稀土离子光纤的开发，高性能、多功能的光纤激光器和放大器在通信、工业、医疗等领域得到广泛应用。 光纤传感器网络与物联网（IoT）：将大量光纤传感器与物联网技术相结合，构建智能监测系统，实现数据的远程采集、分析和应用。 光子集成芯片（Photonic Integrated Circuits, PICs）：将光纤中的光学功能器件（如调制器、耦合器、滤波器）集成到芯片上，实现小型化、低功耗、高性能的光学系统。 光纤与微纳器件的混合集成：例如，将微透镜、微泵、微腔等微纳器件与光纤耦合，实现更复杂的传感器或功能模块。 5.3 新兴应用领域 光通信的下一代技术：包括超大容量通信（如利用空分复用、模分复用）、低延迟通信（如边缘计算中的光互连）等。 量子信息科学：光纤在量子通信、量子计算和量子传感中扮演着重要角色，例如，用于传输纠缠光子、构建量子存储器等。 高能物理与天体探测：利用高功率光纤激光器实现粒子加速，或使用特殊设计的光纤探测器捕捉宇宙射线等。 人工智能与机器学习：利用光纤神经网络（Optical Neural Networks, ONNs）实现高速、低功耗的AI计算。 能源科学：如光纤太阳能收集器、光纤温差发电等。 5.4 挑战与机遇 尽管光纤技术取得了长足的进步，但在更广泛的应用和更严苛的性能要求下，仍然存在一些挑战，包括： 提高光纤的耐受性：在极端温度、高辐射、强腐蚀等环境下保持稳定的性能。 降低制造成本：尤其对于一些高性能的特种光纤和复杂的集成器件。 标准化与互联互通：不同类型光纤和器件的兼容性问题。 信号处理与数据传输的瓶颈：如何在高带宽下实现高效的信号处理和数据传输。 然而，这些挑战也为科研人员和工程师提供了巨大的创新空间和发展机遇。通过持续的理论研究、技术创新和跨学科合作，光纤技术必将在未来科技发展中扮演更加关键的角色，深刻地影响着我们的生活和世界。 本书的编写旨在为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的光纤光学知识体系，鼓励大家在这一充满活力的领域进行更深入的探索和研究。
