微纳光纤直径精细控制技术

为实时监测高通量激光系统中洁净情况,提出了基于微纳光纤的微量污染物传感技术。为消除微纳光纤外形结构误差对测试结果影响,首先理论研究了微纳光纤拉制过程,得到了加热长度和拉伸长度误差和引入微纳光纤外形结构偏差的关系,接着通过理论仿真得到了不同拉制参数条件下,微纳光纤外形结构误差情况,并得到了拉制长度为10 mm、直径为1.5 μm的最优制备参数,最后通过实测微纳光纤外形结构验证了理论仿真结果。实验结果表明,通过优化微纳光纤拉制参数可实现其外形结构的精细控制,为微纳光纤用于微量污染物传感工程实用化奠定基础。     

基于微纳光纤的气溶胶探测应用技术

为获得激光装置密闭空间内部气溶胶分布变化情况,提出了一种基于微纳光纤传感的密闭空间气溶胶检测方法。首先通过理论计算微纳光纤表面吸附气溶胶后传输能量的变化情况,得到能量损耗与气溶胶折射率、尺度之间的关系。利用火焰熔融扫描拉锥法拉制微纳光纤,并放置在激光装置中实验验证。实验结果表明:利用直径为1.5μm的微纳光纤可以有效检测密闭空间内直径为1μm和2μm尺度的颗粒污染物,并可以通过微纳光纤的附加损耗评估颗粒污染物的数量及尺寸,得到附加损耗与空间环境洁净度之间的关系,且理论与实验结果符合较好。     

熔锥型微纳光纤耦合器的理论与实验研究

针对熔融拉锥系统制得的熔锥型微纳光纤耦合器,选择适当的连续函数描述其光场分布,采用归一化的三角分布和矩形分布的加权叠加,以及高斯分布和三角分布的加权叠加实现了模场沿耦合器区域的连续变化;利用局部模式耦合理论推导出腰区及腰区附近锥形区的耦合系数计算公式,并得到微纳光纤耦合器输出光功率随拉伸长度的变化曲线.计算结果表明,随着拉伸长度的增加,光能量在两臂中来回交替耦合的程度变小并且呈现包络样,直至腰区耦合功能消失.通过实时监测拉制微纳光纤耦合器的输出光功率,得到火焰扫描宽度以及氢气流量对双纤失去耦合效应拉伸长度的影响:火焰扫描宽度(均匀腰区)越宽,拉伸长度临界值越大;氢气流量(熔融度)越大,拉伸长度临界值越小.实验结果显示,当光纤耦合器腰区直径达到1.6μm时,耦合功能消失,两输出端口光功率相同且恒定,微纳光纤耦合器具备稳定的光学传输特性.     

拉伸法制备微纳光纤的设计与研究

微纳光纤通常采用光纤拉锥法制备.对原有装置进行改进,增加电机和控制器搭建火焰加热电机拉伸法制备微纳光纤的实验平台,实现了微纳光纤的自动化制备.探究了光纤直径与拉伸距离、拉伸速度、火焰高度等的关系.理论推导出单侧拉伸过程中锥区直径与拉伸长度的关系,通过对不同速度下锥区形状的测量,解释了拉伸速度影响光纤直径的原因.     

微纳光纤端面反射特性的实验测量方法

微纳光纤的端面反射特性是影响其传输特性及实际应用的重要因素之一. 本文提出了一种基于光环形器的微纳光纤端面反射特性测量方法. 该方法克服了3 dB耦合器直接测量法的不足, 通过引入气凝胶固定和功率补偿, 可有效地消除微纳光纤尾纤飘摆、光源输出不稳定及其内部损耗等不利因素, 从而提高测量的准确度. 采用该方案实验测量了微纳光纤的端面反射率及其与 光纤直径和传输波长间的关系. 实验结果与数值模拟结果相符, 表明该方法可有效地用于微纳光纤端面反射率测量及其与各特性参数之间关系的分析, 这对于微纳光纤激光器、放大器、耦合器及滤波器等光学微型器件的设计制作具有重要意义. 关键词： 光纤光学 微纳光纤 端面反射 光环形器     

保偏微纳光纤倏逝场传感器

近年来,保偏微纳光纤以其高双折射特性和强倏逝场效应引起了研究者的关注.本文从保偏微纳光纤的结构类型、制备方法和模式双折射特性等出发,介绍了目前不同类型保偏微纳光纤倏逝场传感器的构造特征与实现方法,利用保偏微纳光纤在两个垂直偏振方向的倏逝场对外界的不同响应,可制成偏振相关的干涉型或光栅型等传感器件.本文探究了包括超高折射率灵敏度特性和温度不敏感特性等的内在产生机理,并考察了保偏微纳光纤倏逝场传感器在折射率、湿度、磁场和特异性DNA分子探测等方面的应用,其结果对微纳光纤及其传感器的研究和应用具有重要的意义.     

基于微纳光纤-单壁碳纳米管可饱和吸收体的被动调Q掺镱光纤激光器

为实现具有高脉冲能量的调Q脉冲激光输出,利用微纳光纤-单壁碳纳米管复合的方法制备可饱和吸收体,并对基于该类型可饱和吸收体器件的被动调Q掺镱光纤激光器进行研究。采用拉伸法将普通单模石英光纤拉制成微纳光纤,将其与单壁碳纳米管溶液复合,进一步制备成全光纤集成型器件。将该器件置于环形腔掺镱光纤激光器中,利用976 nm半导体激光器作为抽运源。当抽运功率为53 mW时,实现了调Q脉冲激光输出,激光中心波长为1 039 nm。进一步提升抽运功率至76 mW,可获得脉冲宽度为3.1μs、重复频率为25.5 kHz、单脉冲能量为941nJ的调Q脉冲激光输出。研究表明,利用微纳光纤制备的可饱和吸收体器件具有较高的损伤阈值,可用于实现高脉冲能量的激光输出。     

光纤微缺陷的激光检测方法

针对光纤微缺陷检测问题,提出了一种基于激光的光纤微缺陷检测方法,分析了光纤微缺陷的基本结构以及激光检测法的原理,并以此搭建了实验装置,进行了缺陷检测实验.实验中用准直氦氖激光束横向入射光纤,在光屏上得到光纤前向散射图样的分布图像,然后对图像进行处理.通过与显微镜观察法的实验结果比较,发现激光检测方法可有效地进行缺陷检测,其检测结果与显微镜直接观察法一致,可以作为光纤拉制后、涂覆层前的缺陷复测.     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

0.73～1.7μm超宽带微纳光纤波导全光调制器

提出了单层石墨烯包裹双锥形微纳光纤复合波导结构,构建了730~1 700nm超宽带微纳光纤波导全光调制器。通过火焰拉锥法将一根标准的通信单模光纤拉成具有双锥形的微纳光纤,在保证通光率的前提下可以极大的提升微纳光纤处的倏逝波与物质的相互作用。利用石墨烯的"超级特征",即单原子层厚度、线性色散的能带结构、超强的载流子带间跃迁及极短的弛豫时间和超宽带光与物质相互作用等,将单层石墨烯作为可饱和吸收体,包裹在双锥形微纳光纤波导的锥体上,以增强该复合波导表面倏逝波与石墨烯的相互作用。静态和动态全光调制实验中采用传统808nm低功率LD作为泵浦光,对谱宽为480~1 700nm的超连续谱探测光实现了光光调制,其泵浦光功率低于50mW,调制深度大于5.7dB,调制速率达到~4kHz。该微纳光纤波导全光调制器,在保证调制深度的情况下,用更低的泵浦功率实现了超宽带的全光调制,以简单、有效、廉价的方式兼容了当前高速光纤通信网络,打开了一扇未来对微纳超快光信号处理的大门。     

基于石英晶体天平和微纳光纤的有机污染物在线监测

为了监测高功率激光驱动器中有机污染物的挥发特性以及其在光学元件表面的沉积特性,研究了基于石英晶体微量天平和微纳光纤传感器的真空腔体内有机物在线监测技术.首先测试了不同分子态污染物浓度时石英晶体天平的响应性能,然后采用视角因子等分法对微纳光纤传感器和石英晶体天平进行对比实验,模拟有机污染物在光学表面沉积的特性.实验结果表明,石英晶体天平和微纳光纤测试有机物在光学表面沉积时响应一致,均可用于高功率激光驱动器有机污染物的在线监测;当污染物面密度大于0.5×10-5g/cm2时,微纳光纤传感器有较高精度和响应速度;有机污染物浓度越高,其更容易吸附沉积在光学元件表面.     

基于石墨烯的宽带全光空间调制器

提出了单层石墨烯包裹微纳光纤的全光空间调制.石墨烯作为可饱和吸收体包裹在通过二氧化碳激光器加热制备的微纳光纤上,当信号光沿着微纳光纤传输时部分光将以倏逝场的形式沿着微纳光纤表面传递,并与石墨烯产生作用被吸收.同时将波长为808 nm的抽运光从空间垂直入射到石墨烯包裹的微纳光纤处,依据石墨烯的优先吸收特性,通过抽运光控制石墨烯对信号光的吸收,实现了宽带全光空间调制.在1095 nm波长处获得最大调制深度约为6 dB,调制带宽约为50 nm,调制速率约为1.5 kHz.空间全光调制器具有输出信号光“干净”的特点.与传统石墨烯微纳光纤全光调制器相比,输出端不需要对抽运光进行光学滤波而直接获得已调信号.该复合波导全光空间调制器以更为灵活、高效的方式打开了微纳超快信号处理的大门.     

微纳光纤镀铂金膜锁模光纤激光器

采用有限元法仿真了微纳光纤中模式在镀膜前后的能量、电场及有效折射率变化,分析了HE11、TE01、HE21和TM01模式在微纳光纤中的传输特性以及与铂金膜的相互作用原理。采用缓冲氧化物刻蚀液制作了微纳光纤并用离子喷溅法镀铂金膜,得到直径为13.2μm、铂金膜厚度为40 nm的微纳光纤器件,测试了其可饱和吸收特性,调制深度和饱和强度分别为0.57%和0.8 MW/cm²。制作了全光纤锁模激光器,锁模阈值为180 mW。锁模脉冲重复频率为17.93 MHz,脉冲宽度为103 ps,中心波长为1 031.6 nm,半高宽约为3.5 nm。     

微纳结构光纤光谱学

微纳结构光纤光谱学是指以空芯微结构或微纳光纤为样品池,光和物质在纤芯内部或表面进行相互作用的光谱学技术。本文回顾空芯和微纳光纤导光的基本原理,介绍气体、液体样品池构建的理论和方法,综述基于光谱吸收、光热、光声、荧光、拉曼等效应的微纳结构光纤光谱学的最新进展及今后可能的发展方向。微纳结构光纤对光场的束缚能力强、模场能量在空气中的比例高,可实现光和物质在其中的高效、长距离相互作用。微纳结构光纤样品池的采用,可提升传统光谱学系统的性能或构建新型的光谱学系统;应用传输光纤与其他光学元器件进行柔性连接,可促进光谱学仪器和传感器的小型化和实用化。     

微纳光纤涡旋倏逝场中米氏粒子的受力

本文用射线光学的方法计算了球形微粒在微纳光纤涡旋倏逝场中的受力,并研究了微粒与微纳光纤表面之间的距离、微粒半径和微纳光纤半径对微粒受力的影响。微粒在梯度力的作用下被捕获到微纳光纤表面,同时在散射力的作用下沿微纳光纤中光束传播的方向绕光纤螺旋状运动。离光纤表面距离越远,微粒受到的光辐射压力越小。当微纳光纤半径不变时,微粒的径向捕获效率、沿光轴的传输和绕光纤的转动可分别通过微粒的半径来优化;而当微粒半径不变时,可分别通过微纳光纤半径来优化。     

基于PDMS的光纤端面微纳结构转移法

微纳光纤传感器将微纳加工与光纤传感技术有机结合，具有重大的科研意义和产业化潜力。现有加工方法无法达到任意复杂三维结构可制备化，从而限制了微纳光纤传感器的发展。介绍了一种新型微纳加工方法，该方法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上实现微纳结构的制备，之后将薄膜连同微纳结构一同转移到光纤端面，在光纤端面实现人为定义三维立体微纳结构。通过在扫描电镜下对制备的样品进行检测，确认PDMS薄膜及其上三维结构可被无损转移至光纤端面。该方法具有易制备、低成本且可加工三维微纳结构的特点。     

808 nm LD激发下高折射率差光纤锥-硫卤微球耦合系统的荧光回廊模

用熔融淬冷法制备了0.5wt.%掺杂Nd3+:75GeS2-15Ga2S3-0CsI(0.5wt.%Nd-GGSI)硫卤玻璃.在此基础上以玻璃粉料漂浮熔融法制备出粒径为50~300μm高折射率(n≈2.1)玻璃微球,并在显微镜下选出表面质量高的硫卤微球用于后续实验.将火焰法拉制出的直径1~2μm间的双锥形石英微纳光纤与硫系微球进行近场耦合.相位匹配条件下测试结果表明光纤锥倏逝场将激发球内径向高阶回音壁模式.实验测量了在808nm LD激光泵浦下直径110μm微球的荧光光谱特性,结果表明:掺Nd3+硫卤微球在输出端1 075nm波段附近产生了等间距分布的荧光回音壁模式的光学谐振,共振峰间隔为1.80nm.实验结果与微球腔回音壁模式谐振的理论模型有较高的符合度.     

微纳光纤耦合器无标生物传感特性

提出了一种基于微纳光纤耦合器的高灵敏度、便携式生物传感器,并对该传感器用于无标生物检测的灵敏度和重复性进行了研究。通过熔融拉锥法拉制出腰椎直径为3μm的光纤耦合器,并进行折射率检测实验。实验测得折射率灵敏度为1402.3nm/RIU,对检测结果进行拟合,得到拟合曲线的相关系数为0.99459。微纳光纤耦合器的弱耦合模型的计算结果和实验结果相符。将此微纳光纤耦合器用于检测羊免疫球蛋白(IgG)抗原,得到了2pg/mL的检出限;10次解离再生实验验证了该传感器的重复性,表明了微纳光纤耦合器在无标生物传感中具有高检测灵敏度的潜力和较好的实用价值。     

光子晶体光纤拉制中工艺参数的控制

分析了光子晶体光纤拉制中各工艺参数之间的相互影响,建立了工艺参数与最终光纤结构之间的对应关系.在温度和送料速度的协调控制下,通过调节气压参数可有效控制气孔结构.实验拉制出孔径孔距比分别为0.45和0.8的单模以及高占空比光子晶体光纤.在制备非均匀孔径光子晶体光纤时,仅靠调控工艺参数往往难以拉制出理想结构,本文以一种单偏振单模PCF结构为例,对预制棒结构进行了优化设计.计算表明可由此拉制出满足要求的光子晶体光纤. 关键词： 光子晶体光纤 工艺参数 气压控制 气孔结构     

若干新型微纳光子学器件研究

光子晶体和纳米光纤是两种重要的微纳光子学材料,各自具有非常独特的控制光子传输状态的功能,是研究微纳尺度下光与物质相互作用的重要平台,也是实现新型微纳光子学器件的重要基础.文章简要介绍了超快速低功率光子晶体全光开关、纳米光纤传感器、干涉器和介质-金属纳米线复合结构器件的研究进展.