具體描述
基本信息
書名：微結構光縴光柵特性、製備工藝與傳感應用研究
定價：60.00元
作者：畢衛紅 等
齣版社：科學齣版社
齣版日期：2016-06-01
ISBN：9787030489159
字數：
頁碼：
版次：1
裝幀：平裝
開本：
商品重量：0.4kg
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導語_點評_推薦詞
內容提要
本書主要分3個部分。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。
目錄
作者介紹
文摘
序言
光縴光學：從基礎到前沿應用 本書係統地闡述瞭光縴光學領域的核心理論、關鍵技術及其在現代科學和工業中的廣泛應用。從光在光縴中的傳播機理齣發，深入剖析瞭各種光縴結構的設計原理和性能特點，並詳細介紹瞭當前主流的光縴製備工藝。隨後，本書重點聚焦於光縴傳感技術的發展，涵蓋瞭不同類型傳感器的原理、設計、製備與性能錶徵。最後，本書將目光投嚮光縴技術的前沿研究方嚮，展望瞭其在通信、醫療、環境監測、材料科學等領域的未來發展趨勢與挑戰。 第一章 光縴傳播基礎 本章旨在為讀者構建一個堅實的光縴光學理論基礎。首先，從電磁波理論齣發，介紹光在介質中傳播的基本方程，並引入摺射率的概念。隨後，重點闡述全內反射（Total Internal Reflection, TIR）原理，這是光縴實現光信號約束傳輸的核心機製。在此基礎上，詳細分析瞭光在理想圓柱形光縴中的模式傳播，引入瞭模式（Mode）和模式場（Mode Field）的概念，並解釋瞭單模光縴（Single-mode Fiber, SMF）和多模光縴（Multi-mode Fiber, MMF）的結構差異及其對模式傳播的影響。 接著，本章深入探討瞭光縴中的基本損耗機製，包括吸收損耗（Absorption Loss）和散射損耗（Scattering Loss），並對其産生的原因和影響進行瞭量化分析。此外，還介紹瞭光縴的色散（Dispersion）現象，包括材料色散（Material Dispersion）和波導色散（Waveguide Dispersion），以及它們對光信號傳輸帶寬和速率的影響。通過理解這些基礎概念，讀者能夠為後續章節中更復雜的光縴特性和應用研究打下堅實的基礎。 第二章 光縴結構設計與特性 本章將探討構成光信號傳輸載體的關鍵——光縴的結構設計及其由此衍生的特性。我們將從最基礎的石英光縴（Silica Fiber）入手，分析其芯層（Core）和包層（Cladding）的摺射率分布如何決定光的傳播模式。隨後，將介紹梯度摺射率光縴（Graded-index Fiber）的設計原理，並對比其與階躍摺射率光縴（Step-index Fiber）在模式傳播和色散特性上的差異。 隨著應用需求的不斷提高，特種光縴（Specialty Fiber）應運而生。本章將詳細介紹各種特種光縴的設計理念和應用場景，例如： 大模場光縴（Large Mode Area Fiber, LMAF）：通過優化縴芯結構，實現更大的模場直徑，降低光縴非綫性效應，適用於高功率激光和非綫性光學研究。 保偏光縴（Polarization-Maintaining Fiber, PMF）：通過引入雙摺射（Birefringence）或形變，使光縴能夠保持輸入光的偏振狀態，廣泛應用於偏振相關的傳感和通信係統。 多芯光縴（Multi-core Fiber, MCF）：在同一根光縴中集成多個獨立的縴芯，實現空分復用（Space-Division Multiplexing, SDM），極大地提升瞭光縴通信的容量。 空芯光縴（Hollow-core Fiber, HCF）：將光信號限製在空心區域傳播，有效降低瞭非綫性效應和色散，為超高速通信和新型激光器提供瞭可能。 此外，本章還將討論光縴的幾何參數（如縴芯直徑、包層直徑、塗覆層厚度等）如何影響其機械性能、光學性能以及與其他光器件的耦閤效率。通過深入理解不同光縴結構的設計原理，讀者將能根據具體應用需求，選擇或設計最適閤的光縴類型。 第三章 光縴製備工藝 光縴性能的優劣在很大程度上取決於其製備工藝的精確度和控製水平。本章將係統介紹當前主流的光縴製備技術，從原材料的準備到最終成型的光縴，每一個環節都至關重要。 我們將首先介紹化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）技術，包括： 外層CVD（Outside Vapor Deposition, OVD）：通過火焰將摻雜的二氧化矽顆粒沉積在鏇轉的玻璃棒外錶麵，然後燒結成預製棒。 軸內CVD（Inside Vapor Deposition, IVD）：主要包括改進型CVD（Modified CVD, MCVD）和等離子體增強CVD（Plasma-Enhanced CVD, PCVD）。MCVD通過化學反應在鏇轉的石英管內壁生成縴芯和包層材料，PCVD則利用等離子體加熱，反應速度更快，可製備更精細的結構。 氣相軸嚮沉積（Vapor Axial Deposition, VAD）：通過火焰將氣相反應物直接沉積在生長中的預製棒端部，可實現連續生産。 這些CVD技術的核心在於精確控製原材料（如四氯化矽、四氯化鍺、四氯化鈦等）的摻雜比例和反應溫度，以獲得具有特定摺射率分布的預製棒。 接著，本章將詳細闡述預製棒拉絲（Fiber Drawing）過程。預製棒被送入高溫爐（通常高於2000°C），在精確控製的溫度、拉速和張力下被拉伸成細長的光縴。拉絲過程中，光縴的直徑、塗覆層的附著以及光縴的應力狀態都會對最終的光學性能産生顯著影響。我們將探討如何通過調整拉絲參數來優化光縴的力學強度、抗拉伸能力和長期可靠性。 對於特種光縴，可能還需要結閤額外的工藝步驟，例如： 飛秒激光加工（Femtosecond Laser Machining）：用於在光縴內部或錶麵製造微結構，如光柵、耦閤器或傳感器結構。 化學腐蝕（Chemical Etching）：用於對光縴錶麵進行改性或形成特定形狀的結構。 熔融堆積（Fusion Splicing）：用於將不同類型的光縴或微結構件連接在一起，以實現復雜的光學器件。 本章強調瞭製備工藝與光縴性能之間的緊密聯係，為讀者理解如何通過工藝優化來滿足多樣化的應用需求提供瞭理論依據。 第四章 光縴傳感技術 光縴傳感技術利用光在光縴中的傳播特性來探測外界環境的變化，因其體積小、靈敏度高、抗電磁乾擾等優點，已成為現代傳感領域的重要組成部分。本章將深入探討各種光縴傳感的基本原理、設計方法和應用實例。 首先，我們將介紹基於摺射率變化的傳感機製： 錶麵等離子體共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）傳感器：利用金屬薄膜與光波的相互作用，當被測物質吸附在金屬錶麵時，會引起SPR信號的變化，從而實現對生物分子、化學物質等的檢測。 光縴光柵傳感器（Fiber Grating Sensor）：將周期性的摺射率變化寫入光縴芯層，形成光柵。當外界溫度、應力、壓力等物理量變化時，會引起光柵的 Bragg 波長移動，從而實現傳感。本章將詳細介紹光柵的寫入原理、類型（如FBG, Fiber Bragg Grating）以及其在溫度、應變、壓力等方麵的傳感應用。 其次，我們將探討基於光傳輸損耗或強度變化的傳感機製： 光縴衰減型傳感器：例如，光縴中的生物塗層在吸附目標物質後，會引起光信號的衰減，通過監測衰減程度實現傳感。 光縴反射型傳感器：結閤光縴反射鏡和被測物質的響應，實現傳感。 再次，我們將介紹基於光縴特性的傳感機製： 偏振光縴傳感器：利用保偏光縴的偏振保持特性，通過測量偏振態的變化來傳感，如磁場傳感器、應力傳感器等。 多模光縴傳感器：利用多模光縴中的模式色散或模式耦閤變化來傳感。 此外，本章還將涉及分布式光縴傳感（Distributed Optical Fiber Sensing, DOFS），它能夠沿整條光縴的任意位置進行傳感，實現對環境參數（如溫度、應變、振動）的連續監測。我們將介紹基於瑞利散射（Rayleigh Scattering）、拉曼散射（Raman Scattering）和布裏淵散射（Brillouin Scattering）的分布式傳感技術。 在傳感應用方麵，我們將涵蓋： 環境監測：空氣質量、水體汙染、土壤監測等。 工業過程控製：溫度、壓力、流量、液位等參數的實時監測。 結構健康監測：橋梁、隧道、建築物的應力、應變、振動監測，用於早期預警。 生物醫學傳感：血糖、pH值、DNA/RNA檢測，以及無創醫療監測。 本章旨在讓讀者全麵瞭解光縴傳感技術的多元化和強大能力，以及其在各個領域的實際應用價值。 第五章 光縴技術前沿與未來展望 本章將目光投嚮光縴技術正在蓬勃發展的各個前沿領域，並對未來的發展趨勢進行展望。 5.1 新型光縴結構與材料 拓撲光子學（Topological Photonics）：利用拓撲絕緣體或拓撲半金屬的思想，設計具有魯棒性邊緣態傳播的光縴，可以實現對光信號的無損傳輸。 超材料光縴（Metamaterial Fiber）：將超材料的負摺射率、電磁誘導透明等特性引入光縴，有望實現全新的光學功能，如負摺射、完美吸收等。 生物相容性光縴（Biocompatible Fiber）：開發可植入體內、無毒副作用的光縴，用於微創醫療診斷和治療。 金屬納米粒子摻雜光縴：通過在光縴中引入金屬納米粒子，可以實現錶麵等離子體共振增強的光學效應，用於傳感、光催化等。 5.2 先進光縴器件與集成 光縴激光器與放大器：隨著新型摻稀土離子光縴的開發，高性能、多功能的光縴激光器和放大器在通信、工業、醫療等領域得到廣泛應用。 光縴傳感器網絡與物聯網（IoT）：將大量光縴傳感器與物聯網技術相結閤，構建智能監測係統，實現數據的遠程采集、分析和應用。 光子集成芯片（Photonic Integrated Circuits, PICs）：將光縴中的光學功能器件（如調製器、耦閤器、濾波器）集成到芯片上，實現小型化、低功耗、高性能的光學係統。 光縴與微納器件的混閤集成：例如，將微透鏡、微泵、微腔等微納器件與光縴耦閤，實現更復雜的傳感器或功能模塊。 5.3 新興應用領域 光通信的下一代技術：包括超大容量通信（如利用空分復用、模分復用）、低延遲通信（如邊緣計算中的光互連）等。 量子信息科學：光縴在量子通信、量子計算和量子傳感中扮演著重要角色，例如，用於傳輸糾纏光子、構建量子存儲器等。 高能物理與天體探測：利用高功率光縴激光器實現粒子加速，或使用特殊設計的光縴探測器捕捉宇宙射綫等。 人工智能與機器學習：利用光縴神經網絡（Optical Neural Networks, ONNs）實現高速、低功耗的AI計算。 能源科學：如光縴太陽能收集器、光縴溫差發電等。 5.4 挑戰與機遇 盡管光縴技術取得瞭長足的進步，但在更廣泛的應用和更嚴苛的性能要求下，仍然存在一些挑戰，包括： 提高光縴的耐受性：在極端溫度、高輻射、強腐蝕等環境下保持穩定的性能。 降低製造成本：尤其對於一些高性能的特種光縴和復雜的集成器件。 標準化與互聯互通：不同類型光縴和器件的兼容性問題。 信號處理與數據傳輸的瓶頸：如何在高帶寬下實現高效的信號處理和數據傳輸。 然而，這些挑戰也為科研人員和工程師提供瞭巨大的創新空間和發展機遇。通過持續的理論研究、技術創新和跨學科閤作，光縴技術必將在未來科技發展中扮演更加關鍵的角色，深刻地影響著我們的生活和世界。 本書的編寫旨在為讀者提供一個全麵、深入且具有前瞻性的光縴光學知識體係，鼓勵大傢在這一充滿活力的領域進行更深入的探索和研究。
