【摘要】：光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔,它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应,将光限制在一个很小的区域,具有比传统介质微腔更宽的调控或感测能力和自由光谱范围。光学微腔是光电子器件中应用十分广泛的一种,在光通信、传感、激光、信号处理等领域有着极大的研究价值和应用前景。最近几十年,由于光纤技术的快速发展,基于光纤的光学微腔器件成为了研究的热点。各种不同类型的光纤微腔器件不断涌现,包括光纤法布里-珀罗微腔、光纤马赫-曾德尔微腔、光纤气泡微腔、光子晶体光纤缺陷腔等,主要应用于折射率、温度、气压,应力、磁场、载荷等参量的传感。飞秒激光技术的问世和发展,丰富了光纤微腔器件的制备手段。本文围绕低成本、高性能的光纤微腔传感器开展研究工作,沿着将微腔从光纤端面逐步移植到光纤纤芯、纤芯与包层交界和远离纤芯,传感器灵敏度逐步提升这条主线开展研究工作。利用飞秒激光湿法刻蚀技术制备光纤法布里-珀罗微腔应用于应变和气压传感。当低折射率液体进入微腔后,腔壁反射率降低无法形成干涉从而限制了其折射率传感应用,为了解决这一问题,将微腔移动到纤芯与包层交界处,形成马赫-曾德尔干涉仪,并成功应用于折射率和牛血清蛋白质浓度传感。由于光纤马赫-曾德尔干涉仪对温度响应灵敏度不高,为了解决这个问题,利用飞秒激光双光子聚合技术制备了回音壁模式微腔,应用于温度传感并且具有较高的温度灵敏特性。本论文的主要工作和研究成果如下:(1)系统介绍了光纤微腔传感器的发展历程,制备技术以及应用。详细阐述了飞秒激光湿法刻蚀技术的工作原理。另外,介绍了飞秒激光双光子技术的研究进展及工作原理。(2)设计并搭建了飞秒激光工系统,该系统是由飞激光微加工系统和飞秒激光双光子聚合微加工系统构成,加工精度能达到10 nm。飞秒激光微加工系统具有逐点写光栅、逐线写光栅、烧蚀加工、改性加工等功能。飞秒双光子聚合加工系统适用于加工微纳聚合物结构。(3)利用飞秒激光湿法刻蚀技术在光纤端面制备了同心圆环结构、光纤端面螺旋结构、光纤端面阵列透镜结构。研究了不同的加工参数对加工质量的影响,并观察了这些器件的模场,发现了不同结构的衍射图样。这些光纤端面器件在光场调控、光整形、微照明等方面具有潜在的应用。(4)利用飞秒激光湿法刻蚀技术制备了光纤微腔法布里-珀罗干涉传感器,并分别研究其应变、气压、折射率传感特性。研究其应力传感特性,发现腔长的变化对应变灵敏度没有影响,其灵敏度高达10.4 pm/με。研究气压的响应特性,分析了气压灵敏的原因:气压的变化导致空气折射率的变化和腔长的变化,实验测得气压灵敏的为4.4 nm/MPa,与理论计算的值相吻合。同时还研究了升压和降压过程器件的回复性,实验发现回复性极好。此外,研究了其折射率传感特性,当液体进入微腔后发现干涉光谱退化,损耗增加,分析其原因是腔壁的反射率降低,腔内的传输损耗增加。(5)利用飞秒激光湿法刻蚀技术制备光纤微腔马赫-曾德尔干涉传感器,并成功应用于牛血清蛋白质浓度测试。在测试牛血清蛋白质浓度前,需要检验其折射率灵敏特性,确保样品对液体折射率灵敏度到达一定要求。最终得到样品折射率灵敏度为-10055 nm/RIU,探测极限为3.5×10-5 RIU。不同浓度的牛血清蛋白质溶液在折射率方面表现出微小差异性,该传感器通过识别不同浓度牛血清蛋白质溶液的折射率变化来间接探测浓度的变化。实验测得牛血清蛋白质溶液的灵敏度为-38.9 nm/(mg/m L),探测极限为2.57×10-4 mg/m L。(6)利用飞秒激光双光子聚合技术在微纳光纤表面固化环形WGM微腔,并研究了其温度传感特性。分析了飞秒激光湿法刻蚀技术制备环形微腔无法激励WGM谐振的原因,其原因为是:单模光纤纤芯耦合效率低,微腔壁的粗糙度较大导致散射损耗较大。而微纳光纤具有较强的倏逝场,耦合效率高。飞秒激光双光子聚合加工的WGM谐振腔,有效的减小了环形腔的粗糙度,提高了环形腔的质量。成功制备出不同直径的环形WGM谐振腔,并且应用于温度传感,灵敏度高达1.97 nm/℃,Q因子为1.9×103。
【图文】：
如图1.1(a)所示，液体可以通过微通道自由进出微腔，从而可实现液体折射率的测量。此外，他们利用同样的激光在光子晶体光纤侧面加工了一个锥形的微腔，，如图1.1(b)所示，这种微腔与外界空气连接，可以用来测量温度、折射率和应变[9]。C. Chen 等人[10]利用 CO2激光在光纤表面制备了开放式的 U 型微腔，如图 1.1(c)所示，并研究了其折射率传感特性。Wei 等人利用飞秒激光在光纤侧面烧蚀出一个开放式矩形腔，如图 1.1(d)所示[11]。图 1.1 (a) 157 nm 激光制备光纤端面微腔[8]；(b)157 nm 激光在光子晶体光纤中加工微腔[9]；(c)CO2激光制备开放式微腔[10]；(d)飞秒激光制备开放式微腔[11]
图 1.2 飞秒激光辅助电弧放电技术制备光纤微腔：(a)三步法制备光纤气泡[12]；(b)两步法制备光纤气泡[14]。(c)在双芯光纤中的一个芯上加工开放式微腔[15]；(d)飞秒激光辅助热加工[18](2) 电弧放电熔接技术近些年，大量文献报道利用电弧放电熔接技术制备各种各样的光纤微腔结构，
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249;TP212
【参考文献】
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本文编号：
2612083
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