微结构光纤的二氧化碳激光加工及传感应用

发布时间：2020-04-17 10:55

【摘要】：微结构光纤(Microstructure Optical Fiber,MOF)是指具有微米或者纳米尺度结构的光纤,一般包括光子晶体光纤(Photonics Crystal fiber,PCF)和其他一些具有特殊结构的光纤,例如柚子型光纤、布拉格光纤、多芯光纤等。随着各种具有新颖的光学特性的光子晶体光纤的面世。让人们对光纤有了全新的认识,自此多种新型的光纤理念被陆续提出、实现,这极大地丰富了特种光纤在通信、激光、传感等领域的应用。然而微结构光纤的特殊的结构以及材料特性导致的兼容性问题,使其不能很好的应用实际,因此针对微结构光纤的后加工技术日益重要。本文从传感器件和传感应用需求出发,设计并制作数种微结构光纤,研究了微结构光纤的低损耗熔接使其具有更好的兼容性,进一步探索了微结构光纤后加工技术,测试并分析了特定的微结构光纤器件的性能,其中着重介绍了几种微结构光纤及器件的传感应用。本文对微结构光纤的分类及理论进行了介绍,同时介绍了其他科研工作者在光纤的后加工技术上的贡献,着重对长周期光栅的理论,制作以及应用进行了阐述。从本课题组的实际需求出发,利用一种新型的二氧化碳激光熔接机,开发出了几种特种光纤的后加工方式,具体分为两个部分:1、特种光纤的熔接,包括不等径光纤的熔接,光纤端帽的熔接,光子晶体光纤熔接等。详细介绍了一种高非线性光子晶体光纤的熔接方法,该方法包括对光子晶体光纤的预塌缩技术,小芯径高数值孔径光纤的熔接,加工后的光子晶体光纤熔接三个部分。2、针对该设备,开发了一套长周期光栅的制作方法,并对该方法改进并得到另一种低损耗长周期光栅的制作方法,并对我们在长周期光栅的应用方面的研究进行介绍。在这一部分研究基础上,进一步的通过选用不同类型的光纤并改进加工方式,提出了两种新型长周期光栅并进行传感应用。从改变光纤内部结构的思路出发,提出了一种单模多芯光纤螺旋长周期光栅。设计并拉制了一种十九芯光纤,由于这十九个芯之间的距离较近,同时每个纤芯的NA较低,由于纤芯间强烈的耦合使得该光纤支持单模传输。采用二氧化碳激光以固定速度对该光纤进行加热扫描,同时以恒定的角速度扭转光纤,当光纤冷却以后,由于19芯的排布呈现非圆对称,使得这种螺旋结构被固化于十九芯光纤的纤芯区域中,形成一种螺旋长周期光栅。该光栅在光谱上表现出多个波段的耦合峰。由于在制作过程中,引入了螺旋结构,使该光纤应用于扭转测量中,表现出较好的性能。不仅具有较高的扭转灵敏度而且可以测量扭转方向。此外该光栅作为扭转传感器时,具有较低的温度串扰性。从改变光纤材料的思路出发,提出了一种元素周期性热扩散型长周期光栅,成功应用于高温传感。由于在高数值孔径光纤的纤芯中掺杂有大量的锗,高温下,锗的扩散能增大纤芯尺寸和模场。在该现象的基础上,使用二氧化碳激光对高掺锗光纤进行点对点加热,使光纤纤芯每间隔数百微米产生元素扩散,从而构成长周期光栅的调制。由于该光纤是在高温下制作而成,天生具备耐高温特性。由于纤芯中含有大量锗,而锗具有较高的热光系数,因此该光纤同时具备较高的温度灵敏度。仿照长周期光栅的传感原理,提出了一种采用双导光机制的微结构光纤,成功应用于折射率传感。。在该光纤两端直接熔接单模光纤,即可以实现基模和高阶模之间的干涉,得到标准的双光束干涉光谱形成马赫曾德干涉仪。通过化学腐蚀的方法剥离微结构光纤的部分包层,使高阶模更容易受环境折射率变化的影响。当环境折射率发生改变时高阶模的有效折射率亦随之改变,使得光谱上的干涉峰产生飘移。通过飘移量对环境折射率的变化进行标定,实现折射率传感。在常温下,由该方式制作的折射率传感器属于温度不敏感型。
【图文】：

晶体光纤,单模传输,光纤端面,光子

2)针图 1.1无截止单针对传统光纤1（a）悬挂芯单模传输光子纤，其单模芯光纤端面结子晶体光纤模传输特性可结构 (b)基于纤可以由公式该悬挂芯光纤式 1.1 决定:纤的物质检测测系统

光子激光,光子晶体,单模,放大系统

3)无（a）掺镱单高非线性无截止单模传单模光子晶体性光子晶体光传输光子晶体光纤（b）掺激光纤晶体光纤通过掺镱单模光子激光放大系统过减小占空子晶体光纤放统空比（空气放大图片（c）孔直径和空）基于该有源空气孔之间源间
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253

【参考文献】