七芯光纤微腔传感关键技术

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性表征074 

4.1.4 温度传感性表征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性095 

5.1 七芯光纤端面上双微球耦合腔光学性及实验制备096 

5.1.1 光栅激发的双微球耦合腔光学性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

如今，人们的生活开始朝着高品质和高质量发展。例如，家庭生活智能化、公共设施更安全和智能、远程医疗、更加智能化的教育设施、智能化工业生产体系等.

智能技术是信息技术的全方位升级，而传感技术是获取信息的前端基础，是信息技术之源川。传感技术包含了众多的高新技术，是现代科学技术发展的基础条件。没有传感技术的升级，就没有信息技术的全方位升级，也就没有全方位的智能化。传感器的发展往往会带来该领域内的重大突破。传感器技术在推动社会进步、发展经济方面的重要作用十分明显。由于自然信息具有多样性，获取信息的传感器也必然多种多样，包括各种物理量、化学量或生物量的传感器。智能化时代对传感技术提出的发展要求是灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化。

光纤是光纤传感技术的载体，光纤传感器是光纤和光纤传感技术的结合。与传统的各类传感器相比，光纤传感器天然具有微型化、灵活性好的优势，能同时承载传感和传输两大功能，且电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强，具有非侵人性、高灵敏度。光纤是一个很好的微型光学操作平台，它具有灵活度高、体积小、携带方便、损耗低、集成度高等特性。光纤以其承载光信号的完美方式，在社会科技的发展中占据着重要的位置。

将先进的微纳加工技术、新颖的微纳光学元件与光纤结合，是当前光纤传感技术发展、开发探针式光纤传感器件的一种重要途径，也是融人智能化时代的重要方式。本书作者团队正是基于科技发展趋势，选择多芯光纤端面耦合微腔传感作为研究课题，致力于开发能够满足高质量发展要求的新型光纤传感技术。

1.1“纤上实验室”概述

“纤上实验室”技术2]是光纤传感领域中一个新兴的研究方向，是类比于“片上实验室”提出的一个概念。其内涵是以光纤为平台，利用现代先进的微纳技术，将多种多样的元件、材料、功能集成于光纤之内(上)，提供必要的物理连接和光物质相互作用的一类技术的统称，是先进微纳技术与传统光纤传感技术的结合，是光纤传感技术的一个新的发展方式。新特性和功能的增加至少涉及纳米技术、材料科学、光子学工程三个学科的交叉融合。光纤传感的概念早在1977年就被提出[3]，40多年来，光纤传感获得了巨大的发展和进步，新的测量模式不断涌现。早期，光纤传感领域的研究重点主要集中在光纤外部相关器件和组件，这些光学元件包括光源、调制器、偏振器、光探测器。现如今，市场对具有先进性能、高集成度和多功能的器件的需求越来越大，使得人们把研究的重点聚焦在了光纤内(上)，通过将先进的微纳米级功能材料集成到光纤内(上)来开发全光纤的组件和器件。整个传感过程发生在光纤内部，或者发生在与光纤完全集成的结构中，整个光谱分析、实验操作都在光纤内(上)完成，传感结构规模大小可与光纤纤芯的直径相媲美，“纤上实验室”技术应运而生。“纤上实验室”技术的创新为基于光纤的多功能传感和驱动系统的创建开辟了道路，与传统技术相比，具有更高的性能和更多的功能。例如，得益于光路与复杂光源系统以及复杂的远程测量设备更容易连接，新型光纤纳米探针可以方便地与微流体芯片集成在一起，推进“片上实验室”的发展

从传感结构与光纤的空间结合角度来说，“纤上实验室”技术实现的主要方式可以分为三种，如图1-1所示。第一种是将光纤端面看作一个小型的实验技术平台，在这个平台上，可以通过精密的纳米光刻技术在光纤的端面制造，来搭建复杂的传感结构。第二种是光纤本身可以制作成各种各样的微结构，传感结构位于光纤内部，传感过程沿着光纤发生，使得透过光纤的透射光和/或后向散射光谱特性发生变化，以响应传感刺激，在这些结构中可以实现多种多样的有趣的传感方式。第三种是传感结构位于光纤周围的方式。

本书共5章，主要围绕七芯光纤微腔传感关键技术展开。第1章绪论，主要介绍纤上实验室、回音壁模式光学微腔、光纤端面上回音壁模式微腔发展现状和本书的意义及内容编排等；第2章回音壁模式光学微腔传感基本理论和实现方式，主要介绍回音壁模式微腔基本理论、光纤端面上回音壁模式光学微腔实现方式等；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，主要介绍光子分子结构、双环耦合回音壁模式微腔光学特性、七芯光纤端面上微腔实现等；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，主要介绍七芯光纤端面上波导、光栅耦合高品质因子微球腔传感特性；第5章七芯光纤端面上双微球腔传感特性，主要介绍其光学特性及实验制备、聚苯乙烯双微球耦合腔接触点传感原理及相关实验观测等。