光纖傳感技術經(jīng)過50多年的學術研究與技術發(fā)展，近幾年來形成了加速發(fā)展的趨勢。這是由于一方面，光纖傳感技術已經(jīng)在若干個實際應用場景中獲得了大量的應用； 另一方面，微納技術、材料技術和生物技術的發(fā)展和交叉應用也為光纖傳感技術提供了許多交叉感測的新方法和新途徑。我國多年來經(jīng)濟的快速發(fā)展，不僅為光纖傳感技術的實際應用提供了廣闊的市場，同時也助推了這一領域基礎研究的繁榮與進步。
基于微結構的光纖器件與傳感器是近幾年來光纖傳感技術發(fā)展較快的方向之一。在光纖上構建實驗室的想法的由來也得益于微結構光纖的發(fā)展，因為在光纖上具有天然的光波導通道，因此人們設想是否可以將各種材料和物質，例如無機材料、有機材料、生物材料、非線性光學材料等引入光纖中或引入光纖端面或側面，在光纖上使光與物質發(fā)生相互作用，同時借助于光纖上的光學通道獲得光學測量結果。這一想法很快得到快速發(fā)展，因為在光纖的微納尺度范圍內可以很容易實現(xiàn)光與物質的強相互作用，非常適合于開展微尺度的光物理學、光化學、光與生物物質以及光與微生命相互作用與影響的實驗，因此光纖上的實驗室為多學科交叉研究提供了一個極具吸引力的微實驗平臺。
為了拉近光纖技術前沿基礎研究與研究生課堂教學的距離，更好地促進在光纖上構建各種微實驗平臺的思想傳播與發(fā)展，本書圍繞著光纖上的實驗室（Labon/inFiber）這一主題，邀請全國在該研究方向上若干具有代表性的研究組，圍繞各小組多年來所取得的主要成就及重要的研究進展，共撰寫了12個章節(jié)。集中討論如何實現(xiàn)在光纖上構建各種實驗室的技術基礎,給出在光纖上構建多種微實驗室的若干實際例子，以此來說明在光纖上創(chuàng)建實驗室的目的、方法與技術途徑。
這既是一本內容較為集中的專著，可供光纖技術前沿工作者參考； 同時，我們也嘗試著將其打造成一門前沿交叉課程，以本書作為教材，并由各章節(jié)的作者們制作了演講用的PPT和系列講座視頻，這些材料可直接用于課堂教學，以期迅速拉近前沿研究與課堂的距離。課程將圍繞著怎樣在光纖上構建實驗室這一主題，給出系列前沿技術及其進展情況的詳細講解。
這是一個常作常新的研究領域，在光纖上構建實驗室，能夠開展各種實驗和探索，為新結構與新功能光纖及其器件的應用展開一個新的維度。這其實是起點，不是終點。只有通過實驗最終獲得各種有益的應用系統(tǒng)時，才能夠實現(xiàn)其真正的價值。正如布萊恩·阿瑟在其著作《技術的本質》中所說的那樣，當某個領域技術的元素多到一定數(shù)量時，就構成了組合進化機制，其發(fā)展將以指數(shù)規(guī)律不斷演進。而在光纖上構建各種實驗室的技術不僅為特種光纖及其器件技術本身的發(fā)展提供了一個自由開拓創(chuàng)新的空間，也為光纖技術與其他學科的交叉創(chuàng)新提供了一個新框架。為此，我們愿意借助于本書，為本領域的師生拓寬學術思想、啟迪探索思路而拋磚引玉。
本書在撰寫過程中得到許多學生在段落撰寫以及繪圖方面的協(xié)助，在此深表感謝！
特別感謝清華大學廖延彪教授對我們研究工作的認可，并推薦本書列入清華大學出版社策劃的變革性光科學與技術叢書！
感謝編輯魯永芳博士的細心與耐心，使得我們在繁重的科研任務之余，懷著不斷延期拖沓的內疚心情，在她的不斷鼓勵下，得以完成本書。
本書得到國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFB2203903）、國家自然科學基金項目（61827819，61735009）、廣西壯族自治區(qū)八桂學者資助專項、廣西科技重大專項（AA18242043）的資助，特此致謝。
受作者學術視野和水平所限，書中不妥之處乃至錯誤之處在所難免，望讀者不吝賜教。
本書配有課件、視頻等資源，請掃二維碼觀看。
作者2022年4月
第1章光纖集成光學實驗室
1.1光學集成技術的發(fā)展
1.2光纖集成光學概念
1.2.1光纖中進行光學集成的基本思路
1.2.2光纖中的光路、器件、系統(tǒng)集成
1.3功能集成光纖
1.3.1多波導集成光纖
1.3.2微流物質通道與光通道混合集成的光纖
1.3.3偏芯光纖與孔助光纖
1.3.4手性光纖與螺旋光纖
1.3.5光子晶體光纖與反諧振空芯光纖
1.4光纖上的集成光器件
1.4.1光纖上的微加工技術
1.4.2無源器件集成
1.4.3有源器件集成
1.5光纖上的集成光學微系統(tǒng)
1.5.1基于雙芯光纖干涉儀的集成微加速度計系統(tǒng)
1.5.2基于微流光纖的微化學反應分析系統(tǒng)
1.5.3基于空心光子晶體光纖的氣體光熱調制傳感系統(tǒng)
1.5.4基于雙芯光纖的光鑷系統(tǒng)
1.5.5基于四芯光纖的FBG三維形狀感測系統(tǒng)
1.6結語
參考文獻
第2章光纖離散光學實驗室
2.1離散光學
2.1.1何為離散光學
2.1.2離散光學系統(tǒng)中的關聯(lián)
2.1.3光纖離散光學的調控方法
2.2離散波導光場調控
2.2.1波導之間的超模耦合
2.2.2基于離散波導特殊光場的遠傳： 艾里光纖
2.2.3光場橫向加速的彩虹效應
2.2.4艾里光纖的潛在應用
2.3漸變波導模場調控
2.3.1漸變波導模場轉換
2.3.2縱向模場漸變錐體調控： 模場變換器
2.3.3橫向模場漸變錐體調控： 模分復用器
2.4熱擴散折射率調控
2.4.1熱擴散折射率調控方法概述
2.4.2熱擴散折射率調控理論模型
2.4.3用于光纖熱擴散的微加熱器
2.4.4熱擴散折射率調控典型應用
2.5級聯(lián)干涉儀及其相位調控
2.5.1級聯(lián)干涉儀相位組合的光學游標效應
2.5.2串行級聯(lián)多干涉儀相位調控
2.5.3并行級聯(lián)多干涉儀相位調控
2.6結語
參考文獻
第3章光纖端面納米光子結構與器件集成實驗室
3.1納米加工技術
3.1.1聚焦離子束刻蝕技術
3.1.2電子束曝光技術
3.1.3納米壓印技術
3.1.4納米轉印技術
3.1.5光學加工技術
3.2光纖端面納米光子結構的集成制備方法
3.2.1干涉光刻法
3.2.2電子束曝光結合離子束刻蝕技術
3.2.3焊接剝離轉移技術
3.2.4柔性轉移技術
3.3光纖端面集成微納傳感器
3.3.1光纖端面同心金納米圓環(huán)光柵的折射率傳感器瑞利
反常衍射傳感
3.3.2光纖端面集成金納米線光柵等離激元傳感器
3.4光纖端面集成激光發(fā)射器件
3.4.1光纖端面集成微腔激光器
3.4.2光纖端面集成隨機激光器
3.5光纖端面集成注入鎖定激光放大器
3.5.1有機半導體激光放大器
3.5.2注入鎖定DFB微腔光放大器原理
3.5.3光纖集成有機微腔光放大器的制備
3.5.4光纖端面集成注入鎖定有機半導體微腔激光放大器
性能
3.6光纖端面集成光學調控器件
3.6.1光纖端面集成光學傳播、色散、濾波控制器件
3.6.2光纖端面集成光學邏輯控制器件等離激元全光
開關
參考文獻
第4章微流光纖及其感測實驗室
4.1微流控與光微流技術
4.1.1光微流技術
4.1.2基于微結構光纖的光微流
4.1.3微流光纖設計的基本問題
4.2微流光纖的制備
4.2.1帶孔微結構光纖的制備方法
4.2.2幾種典型的微流光纖
4.3微流光纖器件技術
4.3.1光纖拋磨方法
4.3.2帶孔微結構光纖制備微孔方法
4.3.3對光纖的表面修飾及涂覆方法
4.4光纖微流實驗室
4.4.1光熱微泵技術
4.4.2基于懸掛芯光纖的光流控化學發(fā)光檢測
4.4.3基于帶孔雙芯光纖的集成式干涉型光流控折射率傳感
4.4.4基于空心光纖的乙醇監(jiān)測系統(tǒng)
4.5結語
參考文獻
第5章微光纖小型多功能集成化光器件實驗室
5.1基本特性
5.1.1引言
5.1.2特點
5.1.3應用
5.1.4制備
5.2波導特性
5.2.1三層波導模型
5.2.2兩層簡化波導模型
5.2.3能量分布比例
5.2.4非線性系數(shù)
5.2.5色散
5.3微光纖器件的功能集成化與纖上實驗室
5.3.1微光纖器件的發(fā)展途徑
5.3.2基于微光纖的典型器件
5.3.3三維立體器件以及拓展
5.3.4聚合物封裝微光纖器件的溫度特性
5.3.5二維材料集成
5.3.6光力和非線性
5.4結語
參考文獻
第6章微結構光纖內的實驗室
6.1微結構光纖的分類及其傳導機理
6.1.1導言
6.1.2微結構光纖的分類及其傳導機理
6.2微結構光纖中功能材料的集成技術
6.2.1選擇性填充技術
6.2.2微結構光纖中的功能材料集成技術
6.3微結構光纖纖內實驗室技術的應用
6.3.1基于空芯微結構光纖纖內實驗室技術的應用
6.3.2基于固芯微結構光纖纖內實驗室技術的應用
6.4結語
參考文獻
第7章光纖集成式微流激光實驗室
7.1引言
7.2基本理論
7.2.1光學微諧振腔及其傳感原理
7.2.2微流激光及其傳感機理
7.3光纖微腔
7.3.1光纖法布里珀羅腔
7.3.2微環(huán)諧振腔
7.3.3光子帶隙微腔
7.3.4隨機散射
7.4增益材料
7.4.1有機染料
7.4.2納米晶體
7.4.3生物增益材料
7.5泵浦和探測
7.6光纖微流激光生化傳感器
7.6.1高靈敏生化傳感器
7.6.2快速、高通量生化傳感器
7.6.3一次性生化傳感器
7.7結語
參考文獻
第8章光纖表面等離激元共振傳感實驗室
8.1光纖表面等離激元共振傳感技術
8.1.1表面等離激元傳感技術
8.1.2SPR基本原理
8.1.3光纖SPR基本原理
8.2表面等離激元共振技術實現(xiàn)方法
8.2.1調制方法
8.2.2光纖SPR傳感器制備方法
8.2.3光纖SPR傳感表面修飾方法
8.3微結構光纖表面等離激元共振傳感器設計
8.3.1光纖及毛細管SPR傳感器設計
8.3.2光纖圖像SPR傳感器
8.3.3多通道光纖陣列SPR傳感器
8.3.4毛細管自補償SPR傳感器
8.3.5智能手機SPR傳感器
8.4微結構光纖表面等離激元共振傳感器應用
8.4.1毛細管傳感器的性能優(yōu)化
8.4.2光纖圖像生物傳感器
8.4.3多通道光纖陣列生物傳感系統(tǒng)
8.4.4自補償毛細管生物圖像傳感系統(tǒng)
8.4.5集成化智能手機生物傳感系統(tǒng)
8.5結語
參考文獻
第9章傾斜光纖光柵傳感實驗室
9.1傾斜光纖光柵制作
9.1.1光纖光敏預處理
9.1.2傾斜光纖光柵寫制
9.2傾斜光纖光柵的基本理論及其傳感特性
9.2.1傾斜光纖光柵耦合模理論
9.2.2傾斜光纖光柵包層模的偏振特性
9.3傾斜光纖光柵傳感機理
9.3.1TFBG纖芯模
9.3.2TFBG低階包層模
9.3.3TFBG高階包層模
9.3.4TFBG表面等離子體共振
9.4傾斜光纖光柵物理、機械類傳感器
9.4.1TFBG溫度和軸向應力響應特性
9.4.2TFBG微位移傳感器
9.4.3TFBG振動、加速度傳感器
9.4.4TFBG彎曲傳感器
9.4.5TFBG矢量振動傳感器
9.4.6TFBG矢量扭轉傳感器
9.4.7TFBG電場傳感器
9.4.8TFBG磁場傳感器
9.5傾斜光纖光柵生物、化學、能源類傳感器
9.5.1探針式TFBG折射率傳感器
9.5.2TFBG細胞密度傳感器
9.5.3TFBG生物蛋白傳感器
9.5.4TFBG血糖傳感器
9.5.5TFBG氣體傳感器
9.5.6TFBG微生物燃料電池原位產(chǎn)電傳感器
9.5.7TFBG超級電容原位電量傳感器
9.6結語
參考文獻
第10章錐體光纖感測實驗室
10.1引言
10.2半錐體光纖感測技術
10.2.1基于半錐體光纖的pH感測技術
10.2.2基于半錐體光纖的微位移感測技術
10.3雙錐體光纖感測技術
10.3.1雙錐體光纖氣體感測技術
10.3.2雙錐體光纖折射率感測技術
10.4錐體光纖耦合器感測技術
10.4.1基于錐體光纖耦合器折射率感測技術
10.4.2基于錐體光纖耦合器的溫度感測技術
10.5錐體光纖諧振器感測技術
10.5.1基于錐體光纖結型諧振器的濕度感測技術
10.5.2基于錐體光纖卷型諧振器的重金屬離子感測技術
10.6基于錐體光纖的FP腔干涉儀感測技術
10.6.1基于錐體光纖耦合的FP腔干涉儀的溫度感測
技術
10.6.2基于錐體光纖焊接的FP腔干涉儀的溫度感測
技術
10.7基于S形錐體光纖的感測技術
10.7.1基于S形錐體光纖的應變感測技術
10.7.2基于S形錐體光纖的濕度感測技術
10.8結語
參考文獻
第11章光纖氣泡微腔傳感實驗室
11.1光纖氣泡微腔制備技術
11.1.1光纖氣泡微腔類型
11.1.2圓形氣泡微腔
11.1.3橢圓形氣泡微腔
11.1.4端面氣泡微腔
11.1.5矩形氣泡微腔
11.2光纖氣泡微腔氣壓傳感技術
11.2.1氣壓傳感機理
11.2.2氣壓傳感測試
11.2.3薄膜增敏分析
11.2.4薄膜整形及氣壓增敏測試
11.3光纖氣泡微腔應變傳感技術
11.3.1應變傳感機理
11.3.2應變傳感測試
11.3.3氣泡整形及應變增敏測試
11.4光纖氣泡微腔回音壁模式及調控技術
11.4.1回音壁模式及調控技術
11.4.2微納光纖制備
11.4.3微腔回音壁模式
11.4.4腔模式應變調諧
11.4.5調諧機理分析
11.5結論
參考文獻
第12章微型光纖線上/線內實驗室
12.1引言
12.2光纖光柵
12.2.1基于刻蝕在無載氫和載氫的布拉格光纖光柵的
退火性能
12.2.2利用通過釋放殘余應力制備具有增強熱穩(wěn)定性的光纖布
拉格光柵
12.2.3具有高溫穩(wěn)定性的預應力光纖布拉格光柵
12.3微孔結構及含微孔結構的長周期光柵
12.3.1基于微孔結構的長周期光纖光柵
12.3.2全固態(tài)光子帶隙光纖中的周期性結構微孔形成的長周期
光纖光柵
12.4單光纖干涉儀
12.4.1基于開放型空腔的馬赫曾德爾干涉儀高溫傳感器
12.4.2基于內置型空腔的馬赫曾德爾高溫傳感器
12.4.3飛秒激光器制造的單光纖邁克耳孫干涉儀傳感器
12.4.4基于毗鄰纖芯內置空腔對的馬赫曾德爾干涉儀
12.4.5基于橢圓形微空腔的單光纖馬赫曾德爾干涉儀傳
感器
12.4.6單光纖FPI折射率傳感器
12.5選擇性填充光子晶體光纖
12.5.1飛秒激光輔助選擇性填充光子晶體光纖
12.5.2光子晶體光纖雙孔填充構成的單光纖馬赫曾德爾干
涉儀
12.5.3選擇性填充光子晶體光纖耦合應力傳感器
12.6微納光纖器件
12.6.1基于單個內空腔的微拉錐光纖馬赫曾德爾干
涉儀
12.6.2用于應變檢測的單微納光纖馬赫曾德爾干涉儀
12.6.3飛秒激光制備的微納光纖FBG
12.7微結構集成
12.8結語
參考文獻
索引
書單推薦
