内容简介
《新型微结构光纤传感及光调控》系统地介绍结构型光纤传感器及光调制器件的设计思路、光传输原理、制备方法及传感特性研究。第1章介绍结构调制型光纤光栅的制备方法，包括光纤结构调制技术和光纤写入方法，详细讨论结构调制型长周期光纤光栅的模式耦合、设计思路及传感特性研究。第2章介绍基于组合式光纤光栅的制备方法，详细阐述光纤精密切割技术，并对组合式光纤光栅的模式耦合理论、设计思路及传感特性进行了深入剖析。第3章介绍新型微结构光纤传感器的制备与应用，讨论微纳光纤在生化传感中的应用，包括倏逝波传感技术和在线离子检测技术，随后介绍基于光流控微结构光纤的光干涉传感器件及其在气体检测中的应用，并增加了基于导电材料修饰的微光电极传感器件的内容。第4章重点介绍光纤调制器的制备方法，涵盖基于毛细管光纤、悬挂芯光纤及其他结构的光纤调制结构的基本原理、结构、制备与研究进展。
目录
目录
前言
第1章 结构调制型光纤光栅的制备方法 1
1.1 光纤结构调制技术 1
l.1.1 光纤写入方法 1
1.1.2 结构调制型LPFG的制备 3
1.1.3 结构调制型LPFG的机理 7
1.2 结构调制型LPFG的模式耦合 11
1.2.1 包层模式的有效折射率和传输常数 11
1.2.2 耦合系数和耦合常数 12
1.2.3 模式耦合方程 12
1.2.4 相位匹配条件 13
1.2.5 透射谱仿真 15
1.3 结构调制型LPFG的设计思路 20
1.3.1 单面调制型LPFG 20
1.3.2双面调制型LPFG 22
1.3.3 多面调制型LPFG 26
1.3.4 复合调制型LPFG 31
1.4 结构调制型LPFG的传感特性研究 37
1.4.1 应变传感特性 37
1.4.2 弯*传感特性 43
1.4.3 扭转传感特性 46
1.4.4 温度传感特性 51
参考文献 55
第2章 基于组合式光纤光栅的制备方法 58
2.1 光纤精密切割技术 58
2.1.1 光纤精密切割系统 58
2.1.2 组合式光纤光栅的制作 64
2.1.3 组合式光纤光栅的机理 65
2.2 组合式光纤光栅的模式親合 67
2.2.1 组合式光纤光栅的理论分析 67
2.2.2 组合式光纤光栅的模式耦合分析 69
2.2.3 组合式光纤光栅的传输谱模拟计算 72
2.3 组合式光纤光栅的设计思路 74
2.3.1单模-无芯-单模型LPFG 74
2.3.2 单模-多模-单模型LPFG 82
2.3.3 复合型组合式LPFG 87
2.3.4 啁啾型组合式LPFG 90
2.3.5 基于偏振复用的LPFG 92
2.4组合式LPFG的传感特性研究 99
2.4.1 应变传感特性 99
2.4.2 弯*传感特性 102
2.4.3 温度传感特性 106
2.4.4 多参量同时测量 107
2.5 本章小结 120
参考文献 121
第3章 新型微结构光纤传感器的制备与应用 124
3.1 微纳光纤在生化传感中的应用 124
3.1.1 倏逝波传感技术原理 124
3.1.2 基于微纳光纤的在线离子检测 129
3.1.3 基于静电纺丝纤维的集成式倏逝场传感结构 140
3.2 基于光流控微结构光纤的光干涉传感器件的应用 148
3.2.1 干涉式光纤传感的基本原理 148
3.2.2 基于微结构光纤的干涉式在线气体检测 149
3.2.3 基于微结构光纤的干涉式在线生物素检测 153
3.3 基于光流控微结构光纤的强度型传感结构 158
3.3.1 光纤强度传感的基本原理 158
3.3.2 基于微结构光纤的在线表面增强拉曼生物检测 162
3.3.3 微结构光纤微反应器及化学发光传感 164
3.3.4 基于微结构光纤的荧光淬灭在线传感结构 167
3.4 基于光纤传感结构的组分分离在线探测应用 171
3.4.1 基于SPR及光纤干涉仪的光纤折射率检测原理 171
3.4.2 基于SPR光纤探针的在线生物蛋白分离与检测 173
3.4.3 基于微纳光纤干涉仪的分子电泳分离与在线检测 177
3.4.4 基于微结构光纤的分子电泳分离与在线检测 181
3.5 基于导电材料修饰的微光电极传感 185
3.5.1 光电化学传感基本原理 185
3.5.2 基于ITO修饰的光纤光电化学传感探头 187
3.5.3 基于ITO修饰的光催化微电极生物及离子传感探头 193
参考文献 196
第4章 光纤调制器的制备方法 204
4.1 基于毛细管光纤的集成式光调制 204
4.1.1 集成式毛细管光纤调制基本原理 204
4.1.2 液晶填充的毛细管光纤调制结构 205
4.1.3 磁流体填充的毛细管光纤调制结构 209
4.2 基于悬挂芯光纤调制器的研究 213
4.2.1 悬挂芯光纤调制原理 213
4.2.2 基于双芯悬挂芯光纤的光热效应的集成式光调制结构 214
4.2.3 基于悬挂芯光纤的强度型调制结构 217
4.3 基于其他结构的光纤调制结构研究 220
4.3.1 基于ITO沉积的光纤F-P腔电光调制结构 220
4.3.2 基于微纳光纤的光热调制结构 224
4.3.3 基于ITO沉积的微纳光纤集成式电光调制结构 229
参考文献 233
彩图
试读
第1章结构调制型光纤光栅的制备方法
近年来，光纤光栅技术在光纤通信、光纤传感和光学器件领域取得了显著的进展。其中，基于结构调制的调制方法被广泛地应用于制备长周期光纤光栅(long period fiber grating，LPFG)，该方法利用在光纤表面产生周期性的几何形变来实现光纤光栅的调制。这种调制方法称为结构调制，由此制备的光纤光栅被称为结构调制长周期光纤光珊(structure-modulated long period fiber grating)，简称结构调制LPFG？本章的研究目的在于提出一种基于结构调制的新型LPFG，并对其制备方法及传感特性进行深入的研究。通过该方法制备的光纤光栅具有高传感性能，可以实现对不同物理参量的传感测量。此外，本章还探索基于LPFG的复合结构的制备和双参数同时测量的方法，以解决实际应用中的温度串扰问题。
1.1光纤结构调制技术
1.1.1光纤写入方法
近些年来，LPFG通过不断地研究和发展，其光栅写入方法也逐渐丰富起来。其中，*早使用的就是紫外光通过振幅掩模板曝光氢载光纤的方法，由Vengsarkar等[1，2]于1996年*次验证并报道，这也标志着LPFG的正式诞生。随后，在逐点曝光法发展的同时，Davis等[3，4]*次使用C02激光器研制LPFG，但是由于他们的写入方法是通过步进电机的移动来控制光纤移动的，导致其不能对调制位置再次加工，因此重复性较差，制作效率不高。不久之后，研究人员又研发出各种不同的制作方法来加工制作LPFG，其中，包括腐蚀刻槽法、机械微弯法、电弧放电法、熔融拉锥法等多种光栅写入方法，这些方法不尽相同，都有各自的优缺。然而，这些方法*终殊途同归，都是通过周期性地调节光纤纤芯或光纤包层的折射率来改变光纤作用的，*终影响光路传输而后形成损耗峰。
在发展完善上述传统的LPFG的写入方法之余，研究人员也在致力于发展光栅较高的优越传感特性，因此在研究结构调制的LPFG方向上投入大量的精力。光纤结构的变化通常会引起各方面传感性能的剧烈提升，从而导致光纤结构的刻蚀工作也备受青睐。新型的制作方法就包括飞秒激光器雕刻、HF酸腐蚀、机械砂轮抛光等各种方法。通过不同的刻蚀手段将光纤刻蚀成特殊结构，使得光纤在横截面上折射率分布不均匀，导致其对外界环境因素的变化更加敏感。
较早发展起来的掩模板曝光成栅法是使用高能的激光或离子透过具有一定周期性开口的掩模板对光纤进行曝光从而形成光纤光栅的方法。采用这种方法，利用紫外光照射到振幅掩模板上，使载氢光纤的纤芯直径折射率周期性地发生改变，从而形成了LPFG特征结构。这种制造方法分为紫外曝光法和离子注入法两种，是目前使用频率较多的方法之一。掩模板是预先刻制完周期的，每种模板只对应其相应的周期，目前主要成熟的有三种振幅掩模板，分别是金属板、石英铬板和电解质板。振幅掩模板的优点是对紫外光的相干性没有严格的要求，适用于工业化的生产；其缺点是幅值掩模板遮挡了一些紫外光的入射，使之不能充分地利用光能量，除此之外，由于每种模板只对应其相应的周期，增加了材料成本，而且此方法制作的传感器高温稳定性较差。
化学腐蚀法制光栅是一种十分有效的方法，制备过程主要用到了HF酸和石英光纤。制作过程中调节HF酸的浓度与腐蚀过程的时间，可在光纤表面形成环形凹槽，从而制备LPFG。该制备方法的优点是可以同时改变纤芯和包层的有效折射率，而且腐蚀过程导致的光纤JC轴方向各点的直径不均匀，当光纤两端同时施加力时，造成了光栅各处应变不同，该方法可以制作出谐振峰值和光谱波长可调的LPFG。若对LPFG施加一定的扭*应力，可通过调谐波长的方式实现40mn的带阻滤波器。
C02激光器写入法是使用C02激光在光纤上周期性地进行照射从而形成周期的折射率调制的制作LPFG的方法[12_15]。高频C02激光对光纤局部进行照射将产生局部的高温，这将导致光纤发生纤芯中掺杂的离子向外扩散、光纤内部的残留应力被释放等变化。这些变化会导致光纤局部折射率的改变。1998年，Davis等*次使用C02激光器配合电动位移平台在单模光纤(singlemodefiber，SMF)上制成了LPFG。2003年，饶云江等对该方法进行了改进，*次使用计算机控制高频C02激光器的扫描路径从而制作出了性能稳定、可重复性髙的C02激光器写入的LPFG。飞秒激光器雕刻法是通过调制包层的几何结构制成具有周期性变化的LPFG，具有精准调制的优点。通过对光纤结构进行调制增强，产生了更强烈的模式耦合。
机械刻槽法是利用机械刻槽法制备的LPFG，关键工艺设备是切割机，切割机在光纤的侧面进行开槽处理，它工作精度高，切槽过程能够按照事先规划的周期和规律进行。由于切槽改变了光纤包层的结构，直接影响了光纤折射率的分布，从而激发了光纤纤芯基模和包层模之间的耦合，此方法制备的LPFG长期稳定性能较好。
熔融拉锥成栅法是在一段光纤上周期性地制作光纤熔锥从而形成光纤光栅的方法[16]。光栅周期由锥区距离所决定。光纤熔锥是利用氢氧焰、
