七芯光纤微腔传感关键技术

经过四十多年的发展，光纤传感技术越来越呈现出纳米技术、材料科学、光子学工程、生命科学等多个学科交叉融合的特征。利用现代先进的微纳技术，多种多样的元件、材料、功能正在被集成于光纤之内(上)，实现必要的物理连接和光物质相互作用。光纤上(内)微纳元件、材料和功能的集成度越来越高，使得人们类比于“片上实验室”概念，提出了“纤上实验室”的概念。“纤上实验室”技术成了光纤传感技术领域的一个新的发展方向和一个新兴的研究分支。
作为一种具有优异传感性能的光学结构，回音壁模式光学微腔从其较早期的研究开始，就与光纤建立了紧密的联系。
随着先进的微纳加工技术的发展，光纤与回音壁模式光学微腔结合方面的研究焕发了生机，研究开发构型独特、集成度高、具有新传感功能和应用的基于回音壁模式的“纤上实验室”光纤传感器件成了关键问题。本书面向这一关键问题，以先进的三维双光子飞秒激光直写技术作为制备手段，从高集成度、新型制备技术、新的传感功能和应用三个方面开展了相关研究，具有重要的理论和实际意义。本书主要内容包括：
① 七芯光纤端面双微环耦合腔光子分子结构的构建及在挥发性有机物蒸气传感方面的应用。在本项研究中，提出通过三维层叠堆积的方式在七芯光纤端面上实现回音壁模式光学微腔空间集成度的提高。所堆叠的双微环耦合腔是一种光子分子结构，通过数值模拟研究了该结构的模式劈裂现象，实验上观察到了光子分子的模式劈裂，并表征了对于挥发性有机物蒸气的传感特性。
② 七芯光纤端面模板自组装球形回音壁模式微腔传感特性。通过在七芯光纤端面引入聚苯乙烯微球腔，突破了双光子光刻制备技术制备材料单一的限制，突破了光刻胶材料微腔品质因子的限制。在制备工艺上，开发了双光子光刻模板辅助自组装制备技术，在七芯光纤端面上实现了微球的精确组装。进而，聚苯乙烯微球腔的引入带来了更为丰富的物理现象。实验中观测了挥发性有机物分子浸入微球过程中“前沿界面”的动态演变、微球中核壳结构的形成。更为重要的是基于研制的器件观测了聚苯乙烯微球玻璃化转变过程中折射率的分布和演变，并建立了相应的物理模型。这一物理模型对生物传感、聚合物研究领域的参数分析有着重要的意义。
③ 七芯光纤端面上双微球耦合腔接触点传感特性。将光纤端面上的模板辅助自组装微球腔技术进一步推进到双微球耦合腔的实现，在微小的光纤端面上实现了14颗微球的高度空间集成。新的结构带来新的功能：双微球耦合腔的接触点兼具纳米狭缝限域，具有对称、反对称模式光场分布局域不同的特点，构成了一个物质聚集并与光场相互作用的特殊点，从而展现出独特的传感性。接触点的独特传感性可以将微腔传感推进到对纳米限域液体的感知。用两种方式在接触点处生成了纳米限域液体，即挥发性有机物在接触点处的毛细凝聚、受热后聚苯乙烯微球接触点处的熔融和熔接。基于回音壁模式光学微腔的高传感灵敏度特性，对两种情况下微量液体的凝聚演化过程进行了观测，揭示了其内在的物理过程。研究表明这种双微球耦合构型可以在纳米尺度观测光与物质的相互作用，可以实现对微纳尺度的微量纳米限域液体的多种物理过程的观测，也为研究高分子材料表面分子流动性提供了有效的手段。

湛玉新
山西工程科技职业大学

本书基于回音壁模式的“纤上实验室”光纤传感器件，以先进的三维双光子飞秒激光直写技术作为制备手段，从高集成度、新型制备技术、新的传感功能及应用三个方面开展相关研究，主要介绍了回音壁模式光学微腔传感基本理论和实现方式、七芯光纤端面双环耦合回音壁模式微腔有机蒸气传感、七芯光纤端面模板辅助自组装回音壁模式微球腔传感特性、七芯光纤端面上双微球腔传感特性。本书对光纤传感技术的发展具有重要的指导意义。本书适合微腔领域、光纤传感新兴领域、3D 光刻技术相关领域、微纳米学领域、光电子器件领域等的研究者与高校师生等阅读参考。

湛玉新，女，博士，山西工程科技职业大学讲师，长期从事微腔传感领域技术的研究。以一作者发表SCI一区论文“The Distribution and Evolution of Refractive Index in a Polystyrene Whispering Gallery Microcavity during Glass Transition”，SCI二区论文“Photonic molecules stacked on multicore optical fiber for vapor sensing”等，以二作者发表SCI论文“Smart grating coupled whispering-gallery-mode microcavity on tip of multicore opitcal fiber with response enhancement”等，并被多次引用。

第1章  绪论001
1.1　“纤上实验室” 概述002
1.2　回音壁模式光学微腔概述014
1.3　光纤端面上回音壁模式微腔研究现状020
1.4　本书内容的意义024
1.5　本书内容安排026

第2章  回音壁模式光学微腔传感基本理论和实现方式028
2.1　回音壁模式微腔基本理论029
2.1.1　回音壁模式微腔基本理论简介029
2.1.2　回音壁模式微腔表征参数030
2.1.3　回音壁模式光学微腔传感机制033
2.1.4　回音壁模式光学微腔传感性能指标036
2.1.5　浓度响应机制038
2.1.6　温度响应机制040
2.2　光纤端面上回音壁模式光学微腔实现方式040
2.2.1　光纤端面上回音壁模式光学微腔耦合方式040
2.2.2　微纳加工设备和方法043
2.2.3　器件测试平台和方法044
2.3　本章小结047

第3章  七芯光纤端面双环耦合回音壁模式微腔有机蒸气传感048
3.1　光子分子结构简介049
3.2　双环耦合回音壁模式微腔光学特性051
3.3　七芯光纤端面上3D 空间集成双环耦合回音壁模式微腔实现055
3.3.1　3D 空间集成双环耦合回音壁模式微腔设计055
3.3.2　3D 空间集成双环耦合回音壁模式微腔的制备058
3.3.3　可挥发有机物蒸气传感特性表征060
3.4　本章小结066

第4章  七芯光纤端面模板辅助自组装回音壁模式微球腔传感特性067
4.1　七芯光纤端面上波导耦合高品质因子微球腔传感特性068
4.1.1　七芯光纤端面波导耦合高品质因子微球腔设计069
4.1.2　七芯光纤端面上微球腔的3D 双光子光刻底座辅助自组装070
4.1.3　挥发性有机物蒸气传感特性表征074
4.1.4　温度传感特性表征076
4.2　七芯光纤端面上光栅耦合高品质因子微球腔传感特性077
4.2.1　七芯光纤端面光栅耦合高品质因子微球腔光学特性077
4.2.2　七芯光纤端面光栅耦合高品质因子微球腔结构设计080
4.2.3　七芯光纤端面上微球腔的3D 双光子光刻模板辅助自组装081
4.2.4　分子浸入聚苯乙烯微球腔前沿界面及核壳结构观测084
4.2.5　聚苯乙烯微球腔玻璃化转变过程中折射率的分布和演化086
4.3　本章小结094

第5章  七芯光纤端面上双微球腔传感特性095
5.1　七芯光纤端面上双微球耦合腔光学特性及实验制备096
5.1.1　光栅激发的双微球耦合腔光学特性096
5.1.2　七芯光纤端面上双微球耦合腔器件的设计101
5.1.3　七芯光纤端面上双微球耦合腔器件的制备102
5.2　聚苯乙烯双微球耦合腔接触点传感原理104
5.3　挥发性有机物蒸气在双微球耦合腔接触点处凝聚的实验观测105
5.4　聚苯乙烯双微球耦合腔接触点玻璃化熔接109
5.5　聚苯乙烯双微球腔接触点微量液体传感灵敏度分析113
5.6　本章小结115

参考文献117

本书基于回音壁模式的“纤上实验室”光纤传感器件，以先进的三维双光子飞秒激光直写技术作为制备手段，从高集成度、新型制备技术、新的传感功能及应用三个方面开展相关研究，主要介绍了回音壁模式光学微腔传感基本理论和实现方式、七芯光纤端面双环耦合回音壁模式微腔有机蒸气传感、七芯光纤端面模板辅助自组装回音壁模式微球腔传感特性、七芯光纤端面上双微球腔传感特性。本书对光纤传感技术的发展具有重要的指导意义。本书适合微腔领域、光纤传感新兴领域、3D 光刻技术相关领域、微纳米学领域、光电子器件领域等的研究者与高校师生等阅读参考。

湛玉新，女，博士，山西工程科技职业大学讲师，长期从事微腔传感领域技术的研究。以一作者发表SCI一区论文“The Distribution and Evolution of Refractive Index in a Polystyrene Whispering Gallery Microcavity during Glass Transition”，SCI二区论文“Photonic molecules stacked on multicore optical fiber for vapor sensing”等，以二作者发表SCI论文“Smart grating coupled whispering-gallery-mode microcavity on tip of multicore opitcal fiber with response enhancement”等，并被多次引用。