具体描述
本书为信电研究专著,系统介绍国际上最近发展起来的亚波长直径微纳光纤及其器件应用,具体包括微纳光纤的研究背景、光传输特性、微纳光纤传感器、微纳光纤中的非线性效应以及其相关应用。
好的，这是一份关于《亚波长直径微纳光纤》这本书的图书简介，内容将详尽地描述该领域的相关知识，同时避免提及该书本身的内容： --- 图书简介：光子学前沿与微纳尺度传输 在当代物理学与工程科学的交汇点上，光子学领域正经历着一场深刻的变革。随着对光与物质相互作用认识的加深，以及制造技术精度的飞跃，科学家和工程师们得以将传统光学的尺度推向一个全新的维度——微米乃至纳米级别。这种对尺度极限的探索，不仅是基础科学研究的驱动力，更是下一代信息技术、传感、医疗诊断乃至能源转换等诸多领域实现突破的关键所在。 本书聚焦于光在微纳尺度结构中的行为、传输特性及其潜在应用，旨在系统梳理和深入剖析这一前沿领域的核心概念、关键技术与未来趋势。我们将从光在介质中的基本传播规律出发，逐步深入到对结构尺寸效应的探讨，这些效应在宏观尺度下往往可以忽略不计，但在微纳尺度下却成为主导光传播特性的决定性因素。 第一部分：微纳光子学基础与理论模型 要理解微纳尺度下的光传输，必须首先建立坚实的理论基础。本部分将详尽阐述电磁波在具有微小特征尺寸的介质结构中传播时的独特规律。 1. 麦克斯韦方程组的微纳尺度修正： 探讨在涉及极小尺寸结构时，经典麦克斯韦方程组如何通过边界条件和材料的有效参数描述发生显著变化。我们将分析有效介质理论的适用边界及其局限性，并引入更精确的、依赖于几何形状和频率的场解耦方法。 2. 模式理论的演进： 在传统光纤中，模式理论相对成熟，但当纤芯直径趋近于或小于工作波长时，导光机理发生了根本性转变。本部分将深入解析导波模式（Guided Modes）的色散关系、有效折射率以及模式的泄漏特性。重点讨论范洛（Vanoch）模式、高阶模式的抑制以及单模操作窗口的拓宽等关键问题。特别关注如何利用几何结构（如非圆形截面、周期性结构）对模式的偏振态和相速度进行精确调控。 3. 表面等离激元极化激元（SPPs）与波导耦合： 探讨金属与介质界面上存在的表面等离激元这一特殊的光-物质耦合模式。由于SPPs具有将电磁能量限制在远小于光波长的尺度上的能力，它们在微纳集成光路中扮演着至关重要的角色。本书将详细阐述SPP的色散关系、传播损耗，以及如何通过耦合结构（如光栅、棱锥、纳米孔）实现光场与SPPs之间的有效能量转移，从而突破传统衍射极限的限制。 第二部分：微纳结构光子器件的设计与制备 理论的突破必须依赖于先进的制造工艺。本部分将聚焦于实现微纳尺度光功能的核心技术。 1. 亚波长结构的制造挑战： 介绍当前最先进的光刻技术，包括电子束光刻（EBL）、聚焦离子束（FIB）刻蚀、深紫外光刻（DUV）以及纳米压印技术（NIL）。重点分析这些技术在实现高深宽比、低表面粗糙度和高精度重复性方面所面临的物理和工程限制。对如何精确控制侧壁的垂直度和表面质量对光传输损耗的影响进行深入评估。 2. 周期性结构与光子晶体： 详细阐述周期性结构（如光子晶体波导、布拉格反射镜）如何通过周期性的介电常数调制来调控光的能带结构。我们将分析一维、二维和三维光子晶体中光子带隙（Photonic Band Gap, PBG）的形成原理，以及如何利用PBG来实现超低损耗的弯曲波导、高Q值谐振腔以及光的慢速/零速传播效应。 3. 模场重构与集成： 在微纳光路中，如何高效地连接不同尺寸或不同类型的光子结构是关键挑战。本部分将探讨模场匹配技术，包括渐变折射率结构、模式转换器（Mode Converters）的设计，以确保从标准光纤到纳米波导的平滑过渡，最大限度地减小耦合损耗。 第三部分：微纳光传输的特殊现象与应用展望 微纳尺度的光传输不仅带来了损耗的增加，同时也孕育了前所未有的光场调控能力。 1. 非线性光学效应的增强： 极小的导光体积和强大的光场限制，使得在微纳结构中实现显著的非线性光学效应成为可能，即使在极低输入功率下。本书将讨论自相位调制（SPM）、受激拉曼散射（SRS）在亚波长波导中的阈值降低，以及如何利用这些效应实现超连续谱的产生和光频梳的构建。 2. 传感与生物光子学： 微纳结构由于其高表面积与光场强相互作用的特性，成为高灵敏度传感器的理想平台。我们将探讨如何利用波导模式的微小扰动来检测环境参数（如折射率、温度、压力）的变化。在生物医学领域，微纳器件在单细胞拉曼光谱、活体成像和光遗传学中的应用潜力也将被重点阐述。 3. 集成与互连技术： 展望将微纳光子器件集成到大规模芯片上的前景。讨论光子集成电路（PIC）的设计范式，如何将波导、调制器、探测器等元件高效地集成于单一衬底，实现高速、低功耗的光信号处理，以及下一代光互连技术的发展方向。 通过对这些核心主题的全面、深入的探讨，本书旨在为光电子、材料科学、物理学及相关工程领域的研究人员和学生提供一个理解和掌握微纳尺度光传输特性的权威参考框架。我们期望读者能够从中获得设计和优化新型光电器件所需的理论深度和实践指导。 ---
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