怎样在光纤上构建实验室

本书围绕着“光纤上的实验室”（Labon/inFiber）这一主题，邀请全国在该研究方向上若干具有代表性的研究组，围绕各小组多年来所取得的主要成就及重要的研究进展，共撰写了12个章节。本书集中讨论如何在光纤上构建各种实验室的技术基础,给出在光纤上构建多种微实验室的若干实际例子，以此来说明在光纤上创建实验室的目的、方法与技术途径。

苑立波，毕业于香港理工大学，获博士学位。现任桂林电子科技大学教授，博士生导师。中国光学学会理事，中国光学工程学会理事，国际光纤传感器学术会议TPC成员，TPC共主席（OFS-25），中国光学工程学会光纤传感技术专家工作委员会暨中国光纤传感技术及产业创新联盟副理事长。

前言

光纤传感技术经过50多年的学术研究与技术发展，近几年来形成了加速发展的趋势。这是由于一方面，光纤传感技术已经在若干个实际应用场景中获得了大量的应用； 另一方面，微纳技术、材料技术和生物技术的发展和交叉应用也为光纤传感技术提供了许多交叉感测的新方法和新途径。我国多年来经济的快速发展，不仅为光纤传感技术的实际应用提供了广阔的市场，同时也助推了这一领域基础研究的繁荣与进步。

基于微结构的光纤器件与传感器是近几年来光纤传感技术发展较快的方向之一。在光纤上构建实验室的想法的由来也得益于微结构光纤的发展，因为在光纤上具有天然的光波导通道，因此人们设想是否可以将各种材料和物质，例如无机材料、有机材料、生物材料、非线性光学材料等引入光纤中或引入光纤端面或侧面，在光纤上使光与物质发生相互作用，同时借助于光纤上的光学通道获得光学测量结果。这一想法很快得到快速发展，因为在光纤的微纳尺度范围内可以很容易实现光与物质的强相互作用，非常适合于开展微尺度的光物理学、光化学、光与生物物质以及光与微生命相互作用与影响的实验，因此光纤上的实验室为多学科交叉研究提供了一个极具吸引力的微实验平台。

为了拉近光纤技术前沿基础研究与研究生课堂教学的距离，更好地促进在光纤上构建各种微实验平台的思想传播与发展，本书围绕着“光纤上的实验室”（Labon/inFiber）这一主题，邀请全国在该研究方向上若干具有代表性的研究组，围绕各小组多年来所取得的主要成就及重要的研究进展，共撰写了12个章节。集中讨论如何实现在光纤上构建各种实验室的技术基础,给出在光纤上构建多种微实验室的若干实际例子，以此来说明在光纤上创建实验室的目的、方法与技术途径。

这既是一本内容较为集中的专著，可供光纤技术前沿工作者参考； 同时，我们也尝试着将其打造成一门前沿交叉课程，以本书作为教材，并由各章节的作者们制作了演讲用的PPT和系列讲座视频，这些材料可直接用于课堂教学，以期迅速拉近“前沿研究”与“课堂”的距离。课程将围绕着“怎样在光纤上构建实验室”这一主题，给出系列前沿技术及其进展情况的详细讲解。

这是一个常作常新的研究领域，在光纤上构建实验室，能够开展各种实验和探索，为新结构与新功能光纤及其器件的应用展开一个新的维度。这其实是起点，不是终点。只有通过实验最终获得各种有益的应用系统时，才能够实现其真正的价值。正如布莱恩·阿瑟在其著作《技术的本质》中所说的那样，当某个领域技术的元素多到一定数量时，就构成了组合进化机制，其发展将以指数规律不断演进。而在光纤上构建各种实验室的技术不仅为特种光纤及其器件技术本身的发展提供了一个自由开拓创新的空间，也为光纤技术与其他学科的交叉创新提供了一个新框架。为此，我们愿意借助于本书，为本领域的师生拓宽学术思想、启迪探索思路而抛砖引玉。

本书在撰写过程中得到许多学生在段落撰写以及绘图方面的协助，在此深表感谢！

特别感谢清华大学廖延彪教授对我们研究工作的认可，并推荐本书列入清华大学出版社策划的“变革性光科学与技术丛书”！

感谢编辑鲁永芳博士的细心与耐心，使得我们在繁重的科研任务之余，怀着不断延期拖沓的内疚心情，在她的不断鼓励下，得以完成本书。

本书得到国家重点研发计划项目（2019YFB2203903）、国家自然科学基金项目（61827819，61735009）、广西壮族自治区八桂学者资助专项、广西科技重大专项（AA18242043）的资助，特此致谢。

受作者学术视野和水平所限，书中不妥之处乃至错误之处在所难免，望读者不吝赐教。

本书配有课件、视频等资源，请扫二维码观看。

作者2022年4月

目录

第1章光纤集成光学实验室

1.1光学集成技术的发展

1.2光纤集成光学概念

1.2.1光纤中进行光学集成的基本思路

1.2.2光纤中的光路、器件、系统集成

1.3功能集成光纤

1.3.1多波导集成光纤

1.3.2微流物质通道与光通道混合集成的光纤

1.3.3偏芯光纤与孔助光纤

1.3.4手性光纤与螺旋光纤

1.3.5光子晶体光纤与反谐振空芯光纤

1.4光纤上的集成光器件

1.4.1光纤上的微加工技术

1.4.2无源器件集成

1.4.3有源器件集成

1.5光纤上的集成光学微系统

1.5.1基于双芯光纤干涉仪的集成微加速度计系统

1.5.2基于微流光纤的微化学反应分析系统

1.5.3基于空心光子晶体光纤的气体光热调制传感系统

1.5.4基于双芯光纤的光镊系统

1.5.5基于四芯光纤的FBG三维形状感测系统

1.6结语

参考文献

第2章光纤离散光学实验室

2.1离散光学

2.1.1何为离散光学

2.1.2离散光学系统中的关联

2.1.3光纤离散光学的调控方法

2.2离散波导光场调控

2.2.1波导之间的超模耦合

2.2.2基于离散波导特殊光场的远传： 艾里光纤

2.2.3光场横向加速的彩虹效应

2.2.4艾里光纤的潜在应用

2.3渐变波导模场调控

2.3.1渐变波导模场转换

2.3.2纵向模场渐变锥体调控： 模场变换器

2.3.3横向模场渐变锥体调控： 模分复用器

2.4热扩散折射率调控

2.4.1热扩散折射率调控方法概述

2.4.2热扩散折射率调控理论模型

2.4.3用于光纤热扩散的微加热器

2.4.4热扩散折射率调控典型应用

2.5级联干涉仪及其相位调控

2.5.1级联干涉仪相位组合的光学游标效应

2.5.2串行级联多干涉仪相位调控

2.5.3并行级联多干涉仪相位调控

2.6结语

参考文献

第3章光纤端面纳米光子结构与器件集成实验室

3.1纳米加工技术

3.1.1聚焦离子束刻蚀技术

3.1.2电子束曝光技术

3.1.3纳米压印技术

3.1.4纳米转印技术

3.1.5光学加工技术

3.2光纤端面纳米光子结构的集成制备方法

3.2.1干涉光刻法

3.2.2电子束曝光结合离子束刻蚀技术

3.2.3焊接剥离转移技术

3.2.4柔性转移技术

3.3光纤端面集成微纳传感器

3.3.1光纤端面同心金纳米圆环光栅的折射率传感器——瑞利

反常衍射传感

3.3.2光纤端面集成金纳米线光栅等离激元传感器

3.4光纤端面集成激光发射器件

3.4.1光纤端面集成微腔激光器

3.4.2光纤端面集成随机激光器

3.5光纤端面集成注入锁定激光放大器

3.5.1有机半导体激光放大器

3.5.2注入锁定DFB微腔光放大器原理

3.5.3光纤集成有机微腔光放大器的制备

3.5.4光纤端面集成注入锁定有机半导体微腔激光放大器

性能

3.6光纤端面集成光学调控器件

3.6.1光纤端面集成光学传播、色散、滤波控制器件

3.6.2光纤端面集成光学逻辑控制器件——等离激元全光

开关

参考文献

第4章微流光纤及其感测实验室

4.1微流控与光微流技术

4.1.1光微流技术

4.1.2基于微结构光纤的光微流

4.1.3微流光纤设计的基本问题

4.2微流光纤的制备

4.2.1带孔微结构光纤的制备方法

4.2.2几种典型的微流光纤

4.3微流光纤器件技术

4.3.1光纤抛磨方法

4.3.2带孔微结构光纤制备微孔方法

4.3.3对光纤的表面修饰及涂覆方法

4.4光纤微流实验室

4.4.1光热微泵技术

4.4.2基于悬挂芯光纤的光流控化学发光检测

4.4.3基于带孔双芯光纤的集成式干涉型光流控折射率传感

4.4.4基于空心光纤的乙醇监测系统

4.5结语

参考文献

第5章微光纤小型多功能集成化光器件实验室

5.1基本特性

5.1.1引言

5.1.2特点

5.1.3应用

5.1.4制备

5.2波导特性

5.2.1三层波导模型

5.2.2两层简化波导模型

5.2.3能量分布比例

5.2.4非线性系数

5.2.5色散

5.3微光纤器件的功能集成化与纤上实验室

5.3.1微光纤器件的发展途径

5.3.2基于微光纤的典型器件

5.3.3三维立体器件以及拓展

5.3.4聚合物封装微光纤器件的温度特性

5.3.5二维材料集成

5.3.6光力和非线性

5.4结语

参考文献

第6章微结构光纤内的实验室

6.1微结构光纤的分类及其传导机理

6.1.1导言

6.1.2微结构光纤的分类及其传导机理

6.2微结构光纤中功能材料的集成技术

6.2.1选择性填充技术

6.2.2微结构光纤中的功能材料集成技术

6.3微结构光纤“纤内实验室”技术的应用

6.3.1基于空芯微结构光纤“纤内实验室”技术的应用

6.3.2基于固芯微结构光纤“纤内实验室”技术的应用

6.4结语

参考文献

第7章光纤集成式微流激光实验室

7.1引言

7.2基本理论

7.2.1光学微谐振腔及其传感原理

7.2.2微流激光及其传感机理

7.3光纤微腔

7.3.1光纤法布里珀罗腔

7.3.2微环谐振腔

7.3.3光子带隙微腔

7.3.4随机散射

7.4增益材料

7.4.1有机染料

7.4.2纳米晶体

7.4.3生物增益材料

7.5泵浦和探测

7.6光纤微流激光生化传感器

7.6.1高灵敏生化传感器

7.6.2快速、高通量生化传感器

7.6.3一次性生化传感器

7.7结语

参考文献

第8章光纤表面等离激元共振传感实验室

8.1光纤表面等离激元共振传感技术

8.1.1表面等离激元传感技术

8.1.2SPR基本原理

8.1.3光纤SPR基本原理

8.2表面等离激元共振技术实现方法

8.2.1调制方法

8.2.2光纤SPR传感器制备方法

8.2.3光纤SPR传感表面修饰方法

8.3微结构光纤表面等离激元共振传感器设计

8.3.1光纤及毛细管SPR传感器设计

8.3.2光纤图像SPR传感器

8.3.3多通道光纤阵列SPR传感器

8.3.4毛细管自补偿SPR传感器

8.3.5智能手机SPR传感器

8.4微结构光纤表面等离激元共振传感器应用

8.4.1毛细管传感器的性能优化

8.4.2光纤图像生物传感器

8.4.3多通道光纤阵列生物传感系统

8.4.4自补偿毛细管生物图像传感系统

8.4.5集成化智能手机生物传感系统

8.5结语

参考文献

第9章倾斜光纤光栅传感实验室

9.1倾斜光纤光栅制作

9.1.1光纤光敏预处理

9.1.2倾斜光纤光栅写制

9.2倾斜光纤光栅的基本理论及其传感特性

9.2.1倾斜光纤光栅耦合模理论

9.2.2倾斜光纤光栅包层模的偏振特性

9.3倾斜光纤光栅传感机理

9.3.1TFBG纤芯模

9.3.2TFBG低阶包层模

9.3.3TFBG高阶包层模

9.3.4TFBG表面等离子体共振

9.4倾斜光纤光栅物理、机械类传感器

9.4.1TFBG温度和轴向应力响应特性

9.4.2TFBG微位移传感器

9.4.3TFBG振动、加速度传感器

9.4.4TFBG弯曲传感器

9.4.5TFBG矢量振动传感器

9.4.6TFBG矢量扭转传感器

9.4.7TFBG电场传感器

9.4.8TFBG磁场传感器

9.5倾斜光纤光栅生物、化学、能源类传感器

9.5.1探针式TFBG折射率传感器

9.5.2TFBG细胞密度传感器

9.5.3TFBG生物蛋白传感器

9.5.4TFBG血糖传感器

9.5.5TFBG气体传感器

9.5.6TFBG微生物燃料电池原位产电传感器

9.5.7TFBG超级电容原位电量传感器

9.6结语

参考文献

第10章锥体光纤感测实验室

10.1引言

10.2半锥体光纤感测技术

10.2.1基于半锥体光纤的pH感测技术

10.2.2基于半锥体光纤的微位移感测技术

10.3双锥体光纤感测技术

10.3.1双锥体光纤气体感测技术

10.3.2双锥体光纤折射率感测技术

10.4锥体光纤耦合器感测技术

10.4.1基于锥体光纤耦合器折射率感测技术

10.4.2基于锥体光纤耦合器的温度感测技术

10.5锥体光纤谐振器感测技术

10.5.1基于锥体光纤结型谐振器的湿度感测技术

10.5.2基于锥体光纤卷型谐振器的重金属离子感测技术

10.6基于锥体光纤的FP腔干涉仪感测技术

10.6.1基于锥体光纤耦合的FP腔干涉仪的温度感测

技术

10.6.2基于锥体光纤焊接的FP腔干涉仪的温度感测

技术

10.7基于S形锥体光纤的感测技术

10.7.1基于S形锥体光纤的应变感测技术

10.7.2基于S形锥体光纤的湿度感测技术

10.8结语

参考文献

第11章光纤气泡微腔传感实验室

11.1光纤气泡微腔制备技术

11.1.1光纤气泡微腔类型

11.1.2圆形气泡微腔

11.1.3椭圆形气泡微腔

11.1.4端面气泡微腔

11.1.5矩形气泡微腔

11.2光纤气泡微腔气压传感技术

11.2.1气压传感机理

11.2.2气压传感测试

11.2.3薄膜增敏分析

11.2.4薄膜整形及气压增敏测试

11.3光纤气泡微腔应变传感技术

11.3.1应变传感机理

11.3.2应变传感测试

11.3.3气泡整形及应变增敏测试

11.4光纤气泡微腔回音壁模式及调控技术

11.4.1回音壁模式及调控技术

11.4.2微纳光纤制备

11.4.3微腔回音壁模式

11.4.4腔模式应变调谐

11.4.5调谐机理分析

11.5结论

参考文献

第12章微型光纤线上/线内实验室

12.1引言

12.2光纤光栅

12.2.1基于刻蚀在无载氢和载氢的布拉格光纤光栅的

退火性能

12.2.2利用通过释放残余应力制备具有增强热稳定性的光纤布

拉格光栅

12.2.3具有高温稳定性的预应力光纤布拉格光栅

12.3微孔结构及含微孔结构的长周期光栅

12.3.1基于微孔结构的长周期光纤光栅

12.3.2全固态光子带隙光纤中的周期性结构微孔形成的长周期

光纤光栅

12.4单光纤干涉仪

12.4.1基于开放型空腔的马赫曾德尔干涉仪高温传感器

12.4.2基于内置型空腔的马赫曾德尔高温传感器

12.4.3飞秒激光器制造的单光纤迈克耳孙干涉仪传感器

12.4.4基于毗邻纤芯内置空腔对的马赫曾德尔干涉仪

12.4.5基于椭圆形微空腔的单光纤马赫曾德尔干涉仪传

感器

12.4.6单光纤FPI折射率传感器

12.5选择性填充光子晶体光纤

12.5.1飞秒激光辅助选择性填充光子晶体光纤

12.5.2光子晶体光纤双孔填充构成的单光纤马赫曾德尔干

涉仪

12.5.3选择性填充光子晶体光纤耦合应力传感器

12.6微纳光纤器件

12.6.1基于单个内空腔的微拉锥光纤马赫曾德尔干

涉仪

12.6.2用于应变检测的单微纳光纤马赫曾德尔干涉仪

12.6.3飞秒激光制备的微纳光纤FBG

12.7微结构集成

12.8结语

参考文献

索引