七芯光纖微腔傳感關鍵技術

本書內容主要圍繞七芯光纖微腔傳感關鍵技術展開，主要涵蓋回音壁模式光學微腔傳感基本理論和實現方式、七芯光纖端面回音壁模式雙微環腔耦合傳感、七芯光纖端面回音壁模式微球腔傳感、七芯光纖端面上雙微球腔傳感等技術。本書有以下兩大特點： （1）技術前沿，符合趨勢：本書基于社會、科技發展趨勢，選擇多芯光纖端面耦合微腔傳感作為主要內容，圍繞其關鍵技術展開，致力于開發能夠滿足高質量發展要求的新型光纖傳感技術，為打造高品質和高質量的的傳感時代。 （2）層次清晰，系統全面：本書由基本理論和實現方式、耦合傳感，逐步過渡到微球腔傳感、雙微球腔傳感等，逐層推進，系統全面。

經過四十多年的發展，光纖傳感技術越來越呈現出納米技術、材料科學、光子學工程、生命科學等多個學科交叉融合的特征。利用現代先進的微納技術，多種多樣的元件、材料、功能正在被集成于光纖之內(上)，實現必要的物理連接和光物質相互作用。光纖上(內)微納元件、材料和功能的集成度越來越高，使得人們類比于“片上實驗室”概念，提出了“纖上實驗室”的概念?！袄w上實驗室”技術成了光纖傳感技術領域的一個新的發展方向和一個新興的研究分支。
作為一種具有優異傳感性能的光學結構，回音壁模式光學微腔從其較早期的研究開始，就與光纖建立了緊密的聯系。
隨著先進的微納加工技術的發展，光纖與回音壁模式光學微腔結合方面的研究煥發了生機，研究開發構型獨特、集成度高、具有新傳感功能和應用的基于回音壁模式的“纖上實驗室”光纖傳感器件成了關鍵問題。本書面向這一關鍵問題，以先進的三維雙光子飛秒激光直寫技術作為制備手段，從高集成度、新型制備技術、新的傳感功能和應用三個方面開展了相關研究，具有重要的理論和實際意義。本書主要內容包括：
① 七芯光纖端面雙微環耦合腔光子分子結構的構建及在揮發性有機物蒸氣傳感方面的應用。在本項研究中，提出通過三維層疊堆積的方式在七芯光纖端面上實現回音壁模式光學微腔空間集成度的提高。所堆疊的雙微環耦合腔是一種光子分子結構，通過數值模擬研究了該結構的模式劈裂現象，實驗上觀察到了光子分子的模式劈裂，并表征了對于揮發性有機物蒸氣的傳感特性。
② 七芯光纖端面模板自組裝球形回音壁模式微腔傳感特性。通過在七芯光纖端面引入聚苯乙烯微球腔，突破了雙光子光刻制備技術制備材料單一的限制，突破了光刻膠材料微腔品質因子的限制。在制備工藝上，開發了雙光子光刻模板輔助自組裝制備技術，在七芯光纖端面上實現了微球的精確組裝。進而，聚苯乙烯微球腔的引入帶來了更為豐富的物理現象。實驗中觀測了揮發性有機物分子浸入微球過程中“前沿界面”的動態演變、微球中核殼結構的形成。更為重要的是基于研制的器件觀測了聚苯乙烯微球玻璃化轉變過程中折射率的分布和演變，并建立了相應的物理模型。這一物理模型對生物傳感、聚合物研究領域的參數分析有著重要的意義。
③ 七芯光纖端面上雙微球耦合腔接觸點傳感特性。將光纖端面上的模板輔助自組裝微球腔技術進一步推進到雙微球耦合腔的實現，在微小的光纖端面上實現了14顆微球的高度空間集成。新的結構帶來新的功能：雙微球耦合腔的接觸點兼具納米狹縫限域，具有對稱、反對稱模式光場分布局域不同的特點，構成了一個物質聚集并與光場相互作用的特殊點，從而展現出獨特的傳感性。接觸點的獨特傳感性可以將微腔傳感推進到對納米限域液體的感知。用兩種方式在接觸點處生成了納米限域液體，即揮發性有機物在接觸點處的毛細凝聚、受熱后聚苯乙烯微球接觸點處的熔融和熔接?；诨匾舯谀Ｊ焦鈱W微腔的高傳感靈敏度特性，對兩種情況下微量液體的凝聚演化過程進行了觀測，揭示了其內在的物理過程。研究表明這種雙微球耦合構型可以在納米尺度觀測光與物質的相互作用，可以實現對微納尺度的微量納米限域液體的多種物理過程的觀測，也為研究高分子材料表面分子流動性提供了有效的手段。

湛玉新
山西工程科技職業大學

湛玉新，女，博士，山西工程科技職業大學講師，長期從事微腔傳感領域技術的研究。以一作者發表SCI一區論文“The Distribution and Evolution of Refractive Index in a Polystyrene Whispering Gallery Microcavity during Glass Transition”，SCI二區論文“Photonic molecules stacked on multicore optical fiber for vapor sensing”等，以二作者發表SCI論文“Smart grating coupled whispering-gallery-mode microcavity on tip of multicore opitcal fiber with response enhancement”等，并被多次引用。

本書基于回音壁模式的“纖上實驗室”光纖傳感器件，以先進的三維雙光子飛秒激光直寫技術作為制備手段，從高集成度、新型制備技術、新的傳感功能及應用三個方面開展相關研究，主要介紹了回音壁模式光學微腔傳感基本理論和實現方式、七芯光纖端面雙環耦合回音壁模式微腔有機蒸氣傳感、七芯光纖端面模板輔助自組裝回音壁模式微球腔傳感特性、七芯光纖端面上雙微球腔傳感特性。本書對光纖傳感技術的發展具有重要的指導意義。
本書適合微腔領域、光纖傳感新興領域、3D 光刻技術相關領域、微納米學領域、光電子器件領域等的研究者與高校師生等閱讀參考。

第1章 緒論001
1.1　“纖上實驗室” 概述002
1.2　回音壁模式光學微腔概述014
1.3　光纖端面上回音壁模式微腔研究現狀020
1.4　本書內容的意義024
1.5　本書內容安排026

第2章 回音壁模式光學微腔傳感基本理論和實現方式028
2.1　回音壁模式微腔基本理論029
2.1.1　回音壁模式微腔基本理論簡介029
2.1.2　回音壁模式微腔表征參數030
2.1.3　回音壁模式光學微腔傳感機制033
2.1.4　回音壁模式光學微腔傳感性能指標036
2.1.5　濃度響應機制038
2.1.6　溫度響應機制040
2.2　光纖端面上回音壁模式光學微腔實現方式040
2.2.1　光纖端面上回音壁模式光學微腔耦合方式040
2.2.2　微納加工設備和方法043
2.2.3　器件測試平臺和方法044
2.3　本章小結047

第3章 七芯光纖端面雙環耦合回音壁模式微腔有機蒸氣傳感048
3.1　光子分子結構簡介049
3.2　雙環耦合回音壁模式微腔光學特性051
3.3　七芯光纖端面上3D 空間集成雙環耦合回音壁模式微腔實現055
3.3.1　3D 空間集成雙環耦合回音壁模式微腔設計055
3.3.2　3D 空間集成雙環耦合回音壁模式微腔的制備058
3.3.3　可揮發有機物蒸氣傳感特性表征060
3.4　本章小結066

第4章 七芯光纖端面模板輔助自組裝回音壁模式微球腔傳感特性067
4.1　七芯光纖端面上波導耦合高品質因子微球腔傳感特性068
4.1.1　七芯光纖端面波導耦合高品質因子微球腔設計069
4.1.2　七芯光纖端面上微球腔的3D 雙光子光刻底座輔助自組裝070
4.1.3　揮發性有機物蒸氣傳感特性表征074
4.1.4　溫度傳感特性表征076
4.2　七芯光纖端面上光柵耦合高品質因子微球腔傳感特性077
4.2.1　七芯光纖端面光柵耦合高品質因子微球腔光學特性077
4.2.2　七芯光纖端面光柵耦合高品質因子微球腔結構設計080
4.2.3　七芯光纖端面上微球腔的3D 雙光子光刻模板輔助自組裝081
4.2.4　分子浸入聚苯乙烯微球腔前沿界面及核殼結構觀測084
4.2.5　聚苯乙烯微球腔玻璃化轉變過程中折射率的分布和演化086
4.3　本章小結094

第5章 七芯光纖端面上雙微球腔傳感特性095
5.1　七芯光纖端面上雙微球耦合腔光學特性及實驗制備096
5.1.1　光柵激發的雙微球耦合腔光學特性096
5.1.2　七芯光纖端面上雙微球耦合腔器件的設計101
5.1.3　七芯光纖端面上雙微球耦合腔器件的制備102
5.2　聚苯乙烯雙微球耦合腔接觸點傳感原理104
5.3　揮發性有機物蒸氣在雙微球耦合腔接觸點處凝聚的實驗觀測105
5.4　聚苯乙烯雙微球耦合腔接觸點玻璃化熔接109
5.5　聚苯乙烯雙微球腔接觸點微量液體傳感靈敏度分析113
5.6　本章小結115

參考文獻117