光纤光栅及表面纳米轴向光子（SNAP）结构的制备与应用研究

发布时间：2020-11-01 19:37

　　 光纤作为现今最完美的光波导,具有重量轻、损耗低、抗电磁干扰等优点,在通信、传感、照明等领域有着不可替代的地位。为了充分利用光纤的优势,不同类型的光纤器件相继被提出。光纤光栅作为一种全光纤器件,与现有光纤网络能够完美兼容,自提出之日起便在光通信领域受到广泛关注,被用于滤波、色散补偿等。伴随着光纤通信的发展,光纤光栅在传感领域的应用也逐渐被关注,尤其是近些年来随着人们对环境保护、食品安全的重视,以光纤传感为基础的“光纤实验室(Lab on fiber)”的概念吸引了很多研究者的注意。就“光纤实验室”的应用而言,进一步提升光纤光栅的折射率传感性能十分关键。除了光纤光栅,光纤表面纳米轴向光子(SNAP)作为一种新的加工平台,可以实现光纤表面微腔的低损耗、高精度加工,在下一代全光信号处理中具有巨大应用潜力。本论文以激光加工为手段(紫外激光、飞秒激光),围绕光纤光栅及SNAP结构两个主题进行研究,主要工作内容包括:1)研究了局域化光纤布拉格光栅(FBG)的飞秒激光逐点刻写,并基于逐点刻写法的灵活性,提出了一种局域化多光栅结构。利用该结构,在室温条件下提出并实验验证了掺铒光纤激光器的双波长稳定输出。2)理论分析了长周期光栅(LPG)的传感特性,并首次实现了对色散拐点LPG的飞秒加工,且实验验证了LPG在色散拐点附近的高灵敏度。3)针对普通LPG在水折射率附近折射率灵敏度较低的问题,提出了基于飞秒加工的局域化偏芯LPG结构。提出的该光栅周期仅有15μm,可以将纤芯内传输的光耦合到高阶包层模式。为了增强高阶包层模式的耦合效率,在制备该光栅结构时采用了偏芯刻写方案。4)通过减小光栅周期,利用紫外激光制备了一种超窄带宽LPG。对LPG的带宽进行分析发现,其带宽大小与光栅周期数成反比,因此我们降低光栅周期大小,以便在特定长度内引入更多周期数。基于此方案,我们利用紫外激光成功刻写了带宽小于1 nm的LPG,这是目前所报道的最窄带宽的LPG。5)提出并实现了光纤SNAP结构的飞秒刻写方案。在此方案中,飞秒激光在光纤内部引入的调制对光纤外表面施加压力,从而引起光纤半径的纳米级变化。基于此方案,我们成功实现了光纤表面串联微腔的亚埃米精度加工。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN253
【部分图文】：

其制备技术的发展为新的应用提供了可能术带来了新的挑战，如此循环往复，从而带动了技术，我们以制备技术为主线，应用为辅，对光纤光栅以们对本论文的主要研究内容、研究成果以及论文章格光栅常由光纤纤芯折射率的周期性调制构成，如图 1-1 所可以分为光纤布拉格光栅(FBG)以及长周期光栅(LP比较短，只有几百纳米到几个微米量级，纤芯中传输周期通常比较长，可以达到几百微米甚至毫米量级，输方向的包层模式。本节我们先介绍 FBG，包括 FLPG 的内容安排在下一节中。

图 1-2 驻波法刻写 FBG 实验装置示意图[15]Meltz 等人提出了全息干涉刻写法[16]，FBG涉法中，两束相干光(244 nm)从光纤侧面横涉，沿着光纤方向形成周期性的光强变化。够透过光纤包层在纤芯处引入周期性折射率，FBG 中心波长可以通过调节两束干涉光展了 FBG 的中心波长范围，使得人们可以FBG 受到广泛的关注。然有效拓展了 FBG 的中心波长范围，但该大范围应用来说，刻写重复性和成本也是需的提出有效的解决了这个问题[17]。相位掩膜板，其中一面用光刻技术引入一维周期性结靠掩膜板放置(但不接触)，紫外光垂直于掩

1-3 基于相位掩膜板的 FBG 刻写装置示意图[方案的提出大大精简了 FBG 的制备过程全息干涉法，相位掩膜板法简化了光纤准所用紫外激光相干性的要求。对紫外激光器也能成功应用于 FBG 的刻写。除此之可以利用单次曝光在多个光纤内引入 FBG本。当然，相位掩膜板技术也有自己的缺确定，只能通过应力或者紫外曝光处理进更适合于对 FBG 中心波长调节范围要求提高，FBG 刻写方案的发展还伴随着激光紫外激光。紫外激光刻写需要光纤具有低，难以满足光栅刻写需求，而提高光纤
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本文编号：2865994