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罗海梅，李新碗 著

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• 光纤器件
• 模式干涉
• 微纳米工艺
• 光学传感器
• 光通信
• 集成光子学
• 生物传感
• 新型光纤
• 干涉原理
• 光纤光学

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030522382

商品编码：29692409315

包装：平装

出版时间：2017-04-01

基本信息

书名:基于微纳米工艺技术的新型光纤模式干涉器件原理与应用

：58.00元

售价：39.4元,便宜18.6元,折扣67

作者:罗海梅,李新碗

出版社：科学出版社

出版日期：2017-04-01

ISBN：9787030522382

字数：

页码：144

版次：31

装帧：平装

开本：32开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书论述了基于微纳米结构和尺度的新型光纤模式干涉器件的原
理、建模、制备和特性，包括具有微纳米厚液晶涂敷层的长周期光纤光
栅和局部弯曲的微纳米光纤模式干涉仪。应用四层模型分析了具有高折
射率微纳米涂敷层的长周期光纤光栅中的模式迁移效应和调谐特性，采
用刷涂工艺在ＬＰＦＧ表面制备了不同厚度的液晶涂敷层，利用模式迁移
效应在实验上实现了ＬＰＦＧ 的大范围热光／电光调谐；用阶梯近似法和
直波导等效法分析了具有弯曲结构的锥形微纳米光纤的传输特性，理论
研究并实验验证了基于此类结构的模式干涉仪传输谱的温度不敏感条
件，实现了高灵敏度折射率传感和微位移传感。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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光纤传感技术的新视野：多物理量精密测量与智能感知 本书深入探讨光纤传感技术在现代科学研究与工业应用中的前沿进展，重点聚焦于如何利用光纤的独特物理特性，实现对环境物理量的多维度、高精度测量，并以此为基础构建智能化感知系统。本书内容不涉及微纳米工艺技术在光纤模式干涉器件中的具体应用。 第一部分：光纤传感基础理论与核心技术 1. 光纤光学基础回顾： 光波在光纤中的传播机制： 本章首先系统回顾光波在纤芯和包层中传播的基本原理，包括全内反射、模式理论（单模、多模）、有效折射率、模场直径等关键概念。详细阐述不同模式的传播特性及其对外界环境的敏感度差异，为后续的传感机制搭建奠定理论基础。 光纤结构与材料特性： 介绍常见光纤类型（如石英光纤、塑料光纤）的结构特点、材料成分及其对光传输性能的影响。探讨不同光纤材料的光学常数、热光效应、压光效应等物理性质，这些性质是光纤传感器对外界物理量敏感性的内在根源。 光纤损耗与色散： 详细分析光纤中存在的各种损耗机制（如吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗），以及色散对信号质量的影响（如模式色散、材料色散、波导色散）。理解这些因素对于设计高效、可靠的光纤传感系统至关重要，可以指导优化传感器的设计和信号处理算法。 2. 光纤传感器的基本原理： 基于光场调制的传感机制： 本节深入剖析光纤传感器如何通过各种物理效应改变光波在光纤中的传播特性，从而实现对外部环境的感知。重点介绍以下几种核心调制机制： 光强调制： 讨论如何通过改变光的强度来反映被测量的变化，例如利用光纤断裂或弯曲导致的光功率衰减。 相位调制： 详细阐述光波在光纤中的相位变化如何与外界物理量的变化相关联。这包括： 折射率变化： 温度、压力、化学物质等引起的纤芯或包层折射率改变，直接影响光波的传播速度和相位。 光纤长度变化： 温度、应力等引起的纤芯长度变化，导致光程长度改变，进而引起相位累积。 双折射效应： 介绍应力、温度不均匀性等引起的双折射变化，以及如何利用偏振光来检测这些变化。 波长调制： 探讨如何通过改变光的波长来编码信息，例如利用某些特殊光纤结构对特定波长光的敏感性。 偏振态调制： 详细介绍光波偏振态在光纤中如何受到应力、温度等影响而发生变化，以及如何利用偏振敏感的光纤或耦合器来实现传感。 干涉技术在光纤传感中的应用： 介绍各种基于干涉原理的光纤传感器的基本结构和工作模式，包括： 马赫-曾德尔干涉仪 (MZI)： 阐述其分束、合束原理，以及如何利用其两个臂的相位差来放大对物理量变化的响应。 法布里-珀罗干涉仪 (FPI)： 介绍其多光路干涉的特性，以及如何利用其谐振腔内的光程变化来提高传感灵敏度和分辨率。 Sagnac干涉仪： 重点讨论其在惯性导航和应变传感中的应用，以及其对逆向传播光的影响。 分布式传感技术： 介绍瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等光纤非线性散射现象，并阐述如何利用这些散射信号的空间分布和频率/强度变化来实现光纤沿线多个点的分布式测量。重点关注布里渊光时域反射 (BOTDR) 和布里渊光时域分析 (BOTDA) 技术在温度和应力分布式监测中的原理和应用。 第二部分：多物理量精密测量技术 1. 基于光纤传感器的温度测量： 热光效应传感器： 详细分析温度变化引起的光纤折射率变化（热光系数）和热膨胀效应（热膨胀系数）如何影响光的相位和光程。介绍基于标准光纤、特殊纤芯结构（如长周期光栅）以及掺杂光纤的多种温度传感器方案。 长周期光栅 (LPFG) 温度传感器： 阐述LPFG的谐振原理，以及其谐振波长对温度的敏感度。讨论LPFG的结构设计、制作工艺（非工艺细节）对温度测量精度的影响。 布里渊散射温度传感器： 深入分析布里渊频移与温度的线性关系，以及其在宽范围、高精度温度测量中的优势，特别是在恶劣环境下的应用。 2. 基于光纤传感器的应力与应变测量： 压光效应传感器： 讨论应力或应变引起的光纤纤芯折射率变化（压光效应）和光纤长度变化（应变效应）。 光纤布拉格光栅 (FBG) 应变传感器： 详细阐述FBG的反射原理，以及其中心反射波长与应变和温度的耦合关系。介绍如何通过解耦温度和应变的影响，实现高精度的应变测量。 分布式应变测量： 重点介绍BOTDA技术在结构健康监测、地质勘探等领域的分布式应变测量应用。 3. 基于光纤传感器的压力与液位测量： 膜片式光纤压力传感器： 介绍如何将光纤传感器（如FBG、LPFG）与弹性膜片结合，利用膜片形变引起的光纤应变来测量压力。 光纤弯曲与形变压力传感器： 探讨如何设计光纤结构，使其对压力引起的弯曲或形变敏感，从而实现非接触或特殊场合的压力测量。 光纤浮球液位传感器： 介绍利用光纤传感器检测浮球位置变化，实现液位的高精度测量。 4. 基于光纤传感器的位移与振动测量： 光纤干涉仪式位移传感器： 详细分析MZI、FPI等干涉仪在微小位移测量中的原理，以及其灵敏度极限。 光纤应变计在位移测量中的应用： 阐述如何利用FBG等应变传感器监测结构变形，从而间接测量位移。 光纤振动传感器： 介绍基于光纤长度变化、曲率变化或光强衰减的振动传感原理，以及其在结构监测、声学探测等方面的应用。 5. 基于光纤传感器的其他物理量测量： 气体传感： 介绍如何利用吸附了特定敏感材料的光纤对某些气体分子的敏感性，实现对气体浓度、湿度等的测量。 生物医学传感： 探讨将光纤传感器应用于生物信号（如pH、葡萄糖、DNA）的检测，及其在医疗诊断和生命科学研究中的潜力。 磁场与电场传感： 介绍基于磁致伸缩效应或电光效应的磁场和电场传感原理。 第三部分：光纤传感系统集成与智能感知应用 1. 光源与探测技术： 常用光源： 介绍激光器（如DFB激光器、ASE光源、超连续谱光源）、LED等在光纤传感系统中的作用，以及它们的光谱特性、功率和稳定性要求。 光探测器： 详细讨论PIN光电二极管、雪崩光电二极管 (APD)、光电探测器阵列等在接收和转换光信号中的性能指标和选择原则。 解调技术： 介绍多种光纤传感信号的解调方法，包括： 基于光谱分析的解调： 如基于光谱仪、扫频激光器的解调技术。 基于干涉仪的解调： 如零差解调、相干解调等。 基于相位追踪的解调： 如电子学锁相放大技术。 基于机器学习的解调： 探讨利用AI算法优化复杂传感信号的识别与解析。 2. 光纤传感网络设计与组网： 串联与并联拓扑结构： 分析不同组网方式的优缺点，以及在实际应用中的选择策略。 传感节点设计： 讨论如何设计独立的传感节点，实现对多个物理量的同步或异步监测。 数据采集与传输： 介绍如何将光纤传感器获取的模拟信号转换为数字信号，并通过各种通信协议（如Ethernet, RS485, LoRa）进行传输。 3. 智能感知与数据融合： 多传感器数据融合： 探讨如何将来自不同类型、不同位置的光纤传感器的测量数据进行有效融合，以提高整体感知系统的精度、鲁棒性和信息完整性。 机器学习与模式识别： 介绍如何利用机器学习算法（如支持向量机、神经网络、深度学习）对大量的传感数据进行分析，实现异常检测、状态评估、故障诊断等智能功能。 物联网 (IoT) 集成： 阐述光纤传感系统如何作为物联网的重要组成部分，实现对物理世界的实时、远程、智能感知。 4. 典型应用案例分析： 基础设施健康监测： 详细介绍光纤传感技术在桥梁、隧道、大坝、油气管道等大型基础设施中的应用，包括裂缝监测、应力应变分析、形变检测等，以实现早期预警和预防性维护。 航空航天与国防： 探讨光纤传感器在飞机结构监测、发动机状态检测、武器系统集成、水下探测等领域的应用。 能源与工业过程控制： 分析光纤传感器在油气田监测、核电站安全监控、化工过程参数测量、工业设备状态诊断等方面的应用。 环境监测与灾害预警： 介绍光纤传感器在土壤侵蚀监测、地下水位变化检测、地震活动监测、森林火灾预警等方面的应用。 本书旨在为读者提供一个关于光纤传感技术在多物理量精密测量和智能感知领域全面而深入的视角，激发新的研究思路和工程应用。

评分☆☆☆☆☆

读完第一章的绪论，我立刻被作者那种对科学问题的执着和深入剖析所吸引。那种行文风格，与其说是教科书式的灌输，不如说更像是一位资深学者在引导你进行一次严谨的思维探险。它似乎并没有急于展示最终的器件成品有多么惊艳，而是花费大量篇幅去追溯和梳理那些看似细微却至关重要的物理机制，比如模式场的相互作用模式、相位匹配条件的精确控制，以及如何将这些宏观的物理现象，有效地映射到微米级的加工精度上。我猜想，书中一定对光纤的几何形变与波导模场分布之间的非线性耦合关系进行了深入的数学建模，这部分内容对理解干涉响应的机理至关重要。如果作者能够在后续章节中，巧妙地将复杂的理论推导与实际的工艺挑战（比如刻蚀的均匀性和表面粗糙度对损耗的影响）结合起来，那么这本书的实用价值将大大提升。总而言之，它展现出一种深厚的学术底蕴，旨在培养读者“知其然，更知其所以然”的科研素养。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙述语言，给我一种极其严谨、不容置喙的权威感。它似乎没有采用过于口语化或过度简化的表达方式，而是坚持使用精确的术语和符号系统，这表明它目标读者群是具备一定光子学或微电子学背景的专业人士。我设想，在讨论到干涉腔体的设计时，书中必然会详细对比不同腔体几何形状（如Lame腔、Fabry-Perot腔等）在面对外部环境扰动（如温度漂移、机械振动）时的性能差异。重点是如何通过结构设计来最大化某一特定模式的耦合效率，同时抑制其他高阶模式的串扰，这是实现高信噪比测量的关键。如果书中能对这些优化策略背后的物理约束条件（例如，加工误差的容忍度限制）进行深入的量化分析，那么这本书的参考价值将超越一般性的综述，成为指导高精度光学测量系统设计的基石。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构安排，似乎透露着一种强烈的应用导向性。我揣测，在理论部分之后，一定有专门的章节致力于详细解析当前主流的微纳加工技术在光纤领域的具体实施方案。比如，聚焦于如何使用聚焦离子束（FIB）进行精准的结构雕刻，或者如何运用先进的半导体光刻技术来批量化制备具有高度一致性的器件阵列。更让我好奇的是，书中是否探讨了如何将这些干涉器件集成到更复杂的系统中去，例如，它们在传感网络中的实际部署和长期稳定性评估。一篇优秀的工程类书籍，不应该只停留在“能做出来”的层面，更要回答“如何稳定、经济、可规模化地做出来”的问题。如果书中包含了详细的参数优化流程图和故障排除指南，那么它对于初涉光子集成领域的工程师来说，简直就是一本及时的“救命稻草”。从这个角度看，它很可能是一本连接实验室研究成果与产业化生产之间的重要桥梁。

评分☆☆☆☆☆

这本厚重的专业书籍，初看起来就透着一股子硬核的科技范儿，封面设计简洁又不失严谨，让人忍不住想一探究竟。从目录的结构来看，它似乎搭建了一个从基础物理原理到尖端工程实现的完整知识体系。我个人对光电子器件领域一直抱有浓厚的兴趣，尤其是那些对信号处理能力有颠覆性提升的新型结构。这本书的深度显然不是面向入门者，而是直指学术前沿和工业应用的核心瓶颈。它应该详尽地阐述了微纳米加工技术是如何精细调控光波在纤芯中的行为，从而实现高灵敏度、高稳定性的模式干涉效应。我尤其期待看到它如何处理不同材料体系下的界面物理和光场耦合效率问题，这往往是决定器件性能的胜负手。如果书中能提供丰富的实验数据佐证其理论模型，并对现有技术的局限性进行批判性分析，那么它无疑将成为该领域研究人员案头必备的参考宝典，为未来的器件优化和新功能探索提供坚实的理论支撑和实验指导。这本书的价值，绝不仅仅停留在知识的罗列，更在于它引领我们思考如何用更小、更精密的结构，去实现更强大、更可靠的光学功能。

评分☆☆☆☆☆

总体而言，这本书予人的感觉是扎实、全面且具有前瞻性。我期待它在收尾部分能对该领域未来的发展趋势做出独到的判断。例如，随着人工智能和机器学习的兴起，是否有可能利用AI算法来反向设计出最优的微纳米结构参数，以达成特定的光学响应曲线？或者，在量子光学和非线性光学领域，这种基于模式干涉的结构能否作为新型的增强腔体或频率转换平台？如果作者能够将讨论的视野从“现有技术的实现”拓展到“未来技术的可能性”，并指出当前研究中最迫切需要突破的瓶颈，那么这本书的学术贡献将是巨大的。它不仅仅是记录了过去和现在的成就，更是为下一代光子器件的研发指明了方向，是一部既有深度又有广度的技术文献。