《新型微结构光纤传感及光调控》系统地介绍结构型光纤传感器及光调制器件的设计思路、光传输原理、制备方法及传感特性研究。第1章介绍结构调制型光纤光栅的制备方法，包括光纤结构调制技术和光纤写入方法，详细讨论结构调制型长周期光纤光栅的模式耦合、设计思路及传感特性研究。第2章介绍基于组合式光纤光栅的制备方法，详细阐述光纤精密切割技术，并对组合式光纤光栅的模式耦合理论、设计思路及传感特性进行了深入剖析。第3章介绍新型微结构光纤传感器的制备与应用，讨论微纳光纤在生化传感中的应用，包括倏逝波传感技术和在线离子检测技术，随后介绍基于光流控微结构光纤的光干涉传感器件及其在气体检测中的应用，并增加了基于导电材料修饰的微光电极传感器件的内容。第4章重点介绍光纤调制器的制备方法，涵盖基于毛细管光纤、悬挂芯光纤及其他结构的光纤调制结构的基本原理、结构、制备与研究进展。

目录
前言
第1章 结构调制型光纤光栅的制备方法 1
1.1 光纤结构调制技术 1
l.1.1 光纤写入方法 1
1.1.2 结构调制型LPFG的制备 3
1.1.3 结构调制型LPFG的机理 7
1.2 结构调制型LPFG的模式耦合 11
1.2.1 包层模式的有效折射率和传输常数 11
1.2.2 耦合系数和耦合常数 12
1.2.3 模式耦合方程 12
1.2.4 相位匹配条件 13
1.2.5 透射谱仿真 15
1.3 结构调制型LPFG的设计思路 20
1.3.1 单面调制型LPFG 20
1.3.2双面调制型LPFG 22
1.3.3 多面调制型LPFG 26
1.3.4 复合调制型LPFG 31
1.4 结构调制型LPFG的传感特性研究 37
1.4.1 应变传感特性 37
1.4.2 弯*传感特性 43
1.4.3 扭转传感特性 46
1.4.4 温度传感特性 51
参考文献 55
第2章 基于组合式光纤光栅的制备方法 58
2.1 光纤精密切割技术 58
2.1.1 光纤精密切割系统 58
2.1.2 组合式光纤光栅的制作 64
2.1.3 组合式光纤光栅的机理 65
2.2 组合式光纤光栅的模式親合 67
2.2.1 组合式光纤光栅的理论分析 67
2.2.2 组合式光纤光栅的模式耦合分析 69
2.2.3 组合式光纤光栅的传输谱模拟计算 72
2.3 组合式光纤光栅的设计思路 74
2.3.1单模-无芯-单模型LPFG 74
2.3.2 单模-多模-单模型LPFG 82
2.3.3 复合型组合式LPFG 87
2.3.4 啁啾型组合式LPFG 90
2.3.5 基于偏振复用的LPFG 92
2.4组合式LPFG的传感特性研究 99
2.4.1 应变传感特性 99
2.4.2 弯*传感特性 102
2.4.3 温度传感特性 106
2.4.4 多参量同时测量 107
2.5 本章小结 120
参考文献 121
第3章 新型微结构光纤传感器的制备与应用 124
3.1 微纳光纤在生化传感中的应用 124
3.1.1 倏逝波传感技术原理 124
3.1.2 基于微纳光纤的在线离子检测 129
3.1.3 基于静电纺丝纤维的集成式倏逝场传感结构 140
3.2 基于光流控微结构光纤的光干涉传感器件的应用 148
3.2.1 干涉式光纤传感的基本原理 148
3.2.2 基于微结构光纤的干涉式在线气体检测 149
3.2.3 基于微结构光纤的干涉式在线生物素检测 153
3.3 基于光流控微结构光纤的强度型传感结构 158
3.3.1 光纤强度传感的基本原理 158
3.3.2 基于微结构光纤的在线表面增强拉曼生物检测 162
3.3.3 微结构光纤微反应器及化学发光传感 164
3.3.4 基于微结构光纤的荧光淬灭在线传感结构 167
3.4 基于光纤传感结构的组分分离在线探测应用 171
3.4.1 基于SPR及光纤干涉仪的光纤折射率检测原理 171
3.4.2 基于SPR光纤探针的在线生物蛋白分离与检测 173
3.4.3 基于微纳光纤干涉仪的分子电泳分离与在线检测 177
3.4.4 基于微结构光纤的分子电泳分离与在线检测 181
3.5 基于导电材料修饰的微光电极传感 185
3.5.1 光电化学传感基本原理 185
3.5.2 基于ITO修饰的光纤光电化学传感探头 187
3.5.3 基于ITO修饰的光催化微电极生物及离子传感探头 193
参考文献 196
第4章 光纤调制器的制备方法 204
4.1 基于毛细管光纤的集成式光调制 204
4.1.1 集成式毛细管光纤调制基本原理 204
4.1.2 液晶填充的毛细管光纤调制结构 205
4.1.3 磁流体填充的毛细管光纤调制结构 209
4.2 基于悬挂芯光纤调制器的研究 213
4.2.1 悬挂芯光纤调制原理 213
4.2.2 基于双芯悬挂芯光纤的光热效应的集成式光调制结构 214
4.2.3 基于悬挂芯光纤的强度型调制结构 217
4.3 基于其他结构的光纤调制结构研究 220
4.3.1 基于ITO沉积的光纤F-P腔电光调制结构 220
4.3.2 基于微纳光纤的光热调制结构 224
4.3.3 基于ITO沉积的微纳光纤集成式电光调制结构 229
参考文献 233
彩图

第1章结构调制型光纤光栅的制备方法
　　近年来，光纤光栅技术在光纤通信、光纤传感和光学器件领域取得了显著的进展。其中，基于结构调制的调制方法被广泛地应用于制备长周期光纤光栅(long period fiber grating，LPFG)，该方法利用在光纤表面产生周期性的几何形变来实现光纤光栅的调制。这种调制方法称为结构调制，由此制备的光纤光栅被称为结构调制长周期光纤光珊(structure-modulated long period fiber grating)，简称结构调制LPFG？本章的研究目的在于提出一种基于结构调制的新型LPFG，并对其制备方法及传感特性进行深入的研究。通过该方法制备的光纤光栅具有高传感性能，可以实现对不同物理参量的传感测量。此外，本章还探索基于LPFG的复合结构的制备和双参数同时测量的方法，以解决实际应用中的温度串扰问题。
　　1.1光纤结构调制技术
　　1.1.1光纤写入方法
　　近些年来，LPFG通过不断地研究和发展，其光栅写入方法也逐渐丰富起来。其中，*早使用的就是紫外光通过振幅掩模板曝光氢载光纤的方法，由Vengsarkar等[1，2]于1996年*次验证并报道，这也标志着LPFG的正式诞生。随后，在逐点曝光法发展的同时，Davis等[3，4]*次使用C02激光器研制LPFG，但是由于他们的写入方法是通过步进电机的移动来控制光纤移动的，导致其不能对调制位置再次加工，因此重复性较差，制作效率不高。不久之后，研究人员又研发出各种不同的制作方法来加工制作LPFG，其中，包括腐蚀刻槽法、机械微弯法、电弧放电法、熔融拉锥法等多种光栅写入方法，这些方法不尽相同，都有各自的优缺。然而，这些方法*终殊途同归，都是通过周期性地调节光纤纤芯或光纤包层的折射率来改变光纤作用的，*终影响光路传输而后形成损耗峰。
　　在发展完善上述传统的LPFG的写入方法之余，研究人员也在致力于发展光栅较高的优越传感特性，因此在研究结构调制的LPFG方向上投入大量的精力。光纤结构的变化通常会引起各方面传感性能的剧烈提升，从而导致光纤结构的刻蚀工作也备受青睐。新型的制作方法就包括飞秒激光器雕刻、HF酸腐蚀、机械砂轮抛光等各种方法。通过不同的刻蚀手段将光纤刻蚀成特殊结构，使得光纤在横截面上折射率分布不均匀，导致其对外界环境因素的变化更加敏感。
　　较早发展起来的掩模板曝光成栅法是使用高能的激光或离子透过具有一定周期性开口的掩模板对光纤进行曝光从而形成光纤光栅的方法。采用这种方法，利用紫外光照射到振幅掩模板上，使载氢光纤的纤芯直径折射率周期性地发生改变，从而形成了LPFG特征结构。这种制造方法分为紫外曝光法和离子注入法两种，是目前使用频率较多的方法之一。掩模板是预先刻制完周期的，每种模板只对应其相应的周期，目前主要成熟的有三种振幅掩模板，分别是金属板、石英铬板和电解质板。振幅掩模板的优点是对紫外光的相干性没有严格的要求，适用于工业化的生产；其缺点是幅值掩模板遮挡了一些紫外光的入射，使之不能充分地利用光能量，除此之外，由于每种模板只对应其相应的周期，增加了材料成本，而且此方法制作的传感器高温稳定性较差。
　　化学腐蚀法制光栅是一种十分有效的方法，制备过程主要用到了HF酸和石英光纤。制作过程中调节HF酸的浓度与腐蚀过程的时间，可在光纤表面形成环形凹槽，从而制备LPFG。该制备方法的优点是可以同时改变纤芯和包层的有效折射率，而且腐蚀过程导致的光纤JC轴方向各点的直径不均匀，当光纤两端同时施加力时，造成了光栅各处应变不同，该方法可以制作出谐振峰值和光谱波长可调的LPFG。若对LPFG施加一定的扭*应力，可通过调谐波长的方式实现40mn的带阻滤波器。
　　C02激光器写入法是使用C02激光在光纤上周期性地进行照射从而形成周期的折射率调制的制作LPFG的方法[12_15]。高频C02激光对光纤局部进行照射将产生局部的高温，这将导致光纤发生纤芯中掺杂的离子向外扩散、光纤内部的残留应力被释放等变化。这些变化会导致光纤局部折射率的改变。1998年，Davis等*次使用C02激光器配合电动位移平台在单模光纤(singlemodefiber，SMF)上制成了LPFG。2003年，饶云江等对该方法进行了改进，*次使用计算机控制高频C02激光器的扫描路径从而制作出了性能稳定、可重复性髙的C02激光器写入的LPFG。飞秒激光器雕刻法是通过调制包层的几何结构制成具有周期性变化的LPFG，具有精准调制的优点。通过对光纤结构进行调制增强，产生了更强烈的模式耦合。
　　机械刻槽法是利用机械刻槽法制备的LPFG，关键工艺设备是切割机，切割机在光纤的侧面进行开槽处理，它工作精度高，切槽过程能够按照事先规划的周期和规律进行。由于切槽改变了光纤包层的结构，直接影响了光纤折射率的分布，从而激发了光纤纤芯基模和包层模之间的耦合，此方法制备的LPFG长期稳定性能较好。
　　熔融拉锥成栅法是在一段光纤上周期性地制作光纤熔锥从而形成光纤光栅的方法[16]。光栅周期由锥区距离所决定。光纤熔锥是利用氢氧焰、电阻等加热方式对光纤局部进行加热，待光纤软化后，在光纤两端施加一定的拉力从而形成的。2001年，Kakarantzas等*次在光纤上周期性地拉制了束腰半径为15^111的微型锥，制成了熔锥型的周期光纤光栅。
　　电弧放电成栅法是在光纤上逐点放电从而形成周期性的折射率调制来制作
　　LPFG的方法[5，17]。该方法与C02激光器写入法类似，但该方法对制备系统的要求低，不需要复杂昂贵的激光系统。1998年，Kosinski等*次仅使用电弧放电在SMF上制作出了电弧放电型的LPFG。2002年，韩国研究者金明元等利用电弧放电法制备出锥形的LPFG。同年，法国研究者Humbert和Malki基于电弧法制备出LPFG，并*次详细地分析了高温传感特性(*高温度为1200°C)及波长漂移和模式间的关系。
　　1.1.2结构调制型LPFG的制备
　　结构调制型LPFG结构是指不仅局限于对光纤包层材料的刻蚀，还包括通过特殊手段对光纤的结构进行改变的LPFG结构，对光纤纤芯和包层及整体结构进行周期性调制的光纤结构均可以称为结构调制型LPFG结构。LPFG是一种衍射光栅，它是通过一些特殊的方法使光纤纤芯和包层的有效折射率有一些特定的改变，周期性的折射率调制之后加强了其纤芯与包层之间的能量交换，使光源能量在某一特定波长范围内出现损耗，形成损耗峰，是一种无源滤波器件。伴随着LPFG与生俱来的谐振峰，它既可以作为滤波器，也可以利用其谐振波长的漂移反映外界环境因素的变化，因此在目前的光纤通信和光纤传感领域里，LPFG依旧得到了广泛的应用。在光纤光学中，光能量的传播被限制在光纤纤芯中，由此可以知道，当光栅的写入方法对光纤纤芯造成重大影响时，将更容易得到优良特性的光栅结构。结构调制的写入方法不仅可以作为一种单*的成栅手段，同样地，也可以作为一种辅助手段，协助其他加工手法，共同完成对光纤结构各种形式的改变和塑造。本节对利用C02激光调制法和熔融加热法制备的LPFG进行了详细的介绍。
　　近年来，经过不断地探索和研究，通过C02激光器加工制备各种光纤结构的手段已经非常成熟，具有很好的灵活性、非接触性、可扩展性。国内外许多课题组对co2激光刻写光纤结构的方法也开展了大量的实验和详细的研究。在此基础上，本书提出一种利用C02激光修饰光纤表面形貌的技术，通过合理地设置激光器的扫描路径、扫描功率等工艺参数，可以在光纤侧面修饰出预设的结构形状。图1.1为C02激光器光纤加工系统，该系统由宽谱光源(broadband light source，BLS)(YSL，SC-3000)、光谱分析仪(optical spectrum analyzer，OSA)(Yokogawa，AQ6370D)、光纤旋转夹具、电荷親合器件(charge coupled device，CCD)相机、髙频C02激光器及计算机等组成。BLS用于提供输入光信号，OSA用于分析输出光信号的变化，光纤旋转夹具可以固定光纤并且实现高精度的同轴旋转，CCD相机可以实时观测光纤结构的调制情况，用于控制结构的蚀刻深度。髙频co2激光器可以释放激光脉冲，达到调制光纤结构的目的。
　　在使用激光器之前，*先要对高频C02激光器进行调焦，通过调节光纤旋转夹具高度，使高频C02激光器的焦平面与待加工的光纤表面重合，这样可以充分地利用高频C02激光器的功率并且保证实验的重复性。
　　*先，高频co2激光器要对单模光纤进行刻蚀工作，就要保证单模光纤所处的水平面位于高频co2激光器发出激光的焦平面处，这样会使高频co2激光器的能量相对集中，激光焦斑较小，能够更精准地对单模光纤进行雕刻。要完成这项工作，就必须在计算机的程序中设置高频co2激光器的扫描路径并不断地进行扫描，并且该过程中激光斑点必须始终落于用于调试焦平面的三维位移平台上表面；调整三维调节台x-y方向，使得激光光斑路径落于三维位移平台上表面中央；缓慢调整Z方向，使得位移平台上表面上下缓慢移动，直到扫描路径的正方形范围*小，也就是该高频002激光器的焦平面位置；*后，将两个光纤旋转夹具通过螺丝和转接板固定到两个五维调节台上，调整两个位移平台的相对位置，使得两个光纤旋转夹具固定的单模光纤穿过扫描路径正方形的横向对称轴，即单模光纤位于焦平面的中央位置。至此，刻蚀装置的预前准备工作完成，这对于整个光栅制备实验至关重要。在结构调制型LPFG写入过程中，可以预设扫描路径，扫描间距可以使得相邻两个扫描路径中间，也就是co2激光器焦斑的重合区域内的单模光纤可以相对均匀地受热，这样既可以防止扫描间距过大引起刻蚀区域受热不均匀导致的不平整现象，也可以防止扫描间距过小引起局部受热过大而使光纤熔融变形的现象。高频co2激光器刻蚀分析如图1.2所示。
　　与此同时，将CCD相机置于单模光纤的同一水平面位置，调整镜筒焦距，使得显示屏幕上呈现出清晰的单模光纤的图像。这样可以达到实时监控单模光纤被高频C02激光器刻蚀的程度，以便研究探索出LPFG合适的具体调制参数，达到既要有良好的传感性能，又要保证光栅结构的形变量大小引发的结构强度问题在合适的范围之内的目的。*后，将预先扫描完整的光源光谱作为光谱仪的参考值，以便得出比较精准的结构调制型LPFG的通道谱，这同样是影响实验结果的一个重要因素。在高频C02激光器对LPFG的写入过程中，可以通过设计不同的激光扫描路径及通过预扭转或扭转的方法写入不同结构的LPFG结构。
　　通过改变软件扫描程序，设置不同的激光脉冲扫描路径，可以制备不同形状的光纤结构。在本节中，激光光束的扫描路径与光纤径向z和轴向r垂直，扫描方式按照扫描间距偏移，即激光扫描一次，然后在轴向上按照设置的间距偏移重新扫描一次。光纤的焦斑大小通常设置为100pm，当扫描间距设为50nm时，这种扫描方式可以使激光光束能量较强的部分在一段区间内实现均勻扫描，被调制的光纤区域受到的激光辐照能量大小近似相等。按照这种激光束扫描方式得到的光纤结构如图1.3(a)所示，其底部刻蚀区域相对平滑，整体为光纤D形结构，D形结构的深度与激光重复扫描次数有关。当扫描间距小于50pm时，激光光束能量较强的部分发生非均匀重叠，此时光纤中间位置受到更多次的激光辐照，因此光纤被蚀刻成V形结构，如图1.3(b)所示。当扫描间距大于5(Him时，由于功率的不稳定性，激光光束蚀刻形成的抛磨均匀性较差，因此在本节中不予以讨论。此外，扫描间距可以按照小于50nm的等差数列排布，该种制备方式可以得到光纤斜面结构，如图1.3(c)所示。这种利用重叠激光光斑连续扫描光纤的方式可以达到类砂轮抛磨的效果，因此将其命名为激光调制法。
　　电热式熔锥系统主要分为加热系统、侧面观察系统及控制系统。其中，加热系统由加热装置和氩气保护装置构成，侧面观察系统由CCD相机和图像采集软件构成，控制系统