經(jīng)過四十多年的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)越來越呈現(xiàn)出納米技術(shù)、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(xiàn)代先進的微納技術(shù)，多種多樣的元件、材料、功能正在被集成于光纖之內(nèi)(上)，實現(xiàn)必要的物理連接和光物質(zhì)相互作用。光纖上(內(nèi))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。“纖上實驗室”技術(shù)成了光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的一個新的發(fā)展方向和一個新興的研究分支。
作為一種具有優(yōu)異傳感性能的光學結(jié)構(gòu)，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(lián)系。
隨著先進的微納加工技術(shù)的發(fā)展，光纖與回音壁模式光學微腔結(jié)合方面的研究煥發(fā)了生機，研究開發(fā)構(gòu)型獨特、集成度高、具有新傳感功能和應(yīng)用的基于回音壁模式的“纖上實驗室”光纖傳感器件成了關(guān)鍵問題。本書面向這一關(guān)鍵問題，以先進的三維雙光子飛秒激光直寫技術(shù)作為制備手段，從高集成度、新型制備技術(shù)、新的傳感功能和應(yīng)用三個方面開展了相關(guān)研究，具有重要的理論和實際意義。本書主要內(nèi)容包括：
① 七芯光纖端面雙微環(huán)耦合腔光子分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及在揮發(fā)性有機物蒸氣傳感方面的應(yīng)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(xiàn)回音壁模式光學微腔空間集成度的提高。所堆疊的雙微環(huán)耦合腔是一種光子分子結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬研究了該結(jié)構(gòu)的模式劈裂現(xiàn)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(fā)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(shù)制備材料單一的限制，突破了光刻膠材料微腔品質(zhì)因子的限制。在制備工藝上，開發(fā)了雙光子光刻模板輔助自組裝制備技術(shù)，在七芯光纖端面上實現(xiàn)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(xiàn)象。實驗中觀測了揮發(fā)性有機物分子浸入微球過程中“前沿界面”的動態(tài)演變、微球中核殼結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變過程中折射率的分布和演變，并建立了相應(yīng)的物理模型。這一物理模型對生物傳感、聚合物研究領(lǐng)域的參數(shù)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(shù)進一步推進到雙微球耦合腔的實現(xiàn)，在微小的光纖端面上實現(xiàn)了14顆微球的高度空間集成。新的結(jié)構(gòu)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(gòu)成了一個物質(zhì)聚集并與光場相互作用的特殊點，從而展現(xiàn)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(fā)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�；�于回音壁模式光學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(nèi)在的物理過程。研究表明這種雙微球耦合構(gòu)型可以在納米尺度觀測光與物質(zhì)的相互作用，可以實現(xiàn)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(yè)大學