空心光纤的传光机理及其应用性能的研究

摘要对空心光纤的结构特点做了细致的分析,采用迅衰波场的概念来解释空心光纤纤芯与空心处的传光损耗。同时对空心光纤的衰减特性做了实验研究,得到了空心光纤的衰减常数,并且应用于断裂测量。最后,对空心光纤弯曲、拉伸、压缩等机械性能作了实验研究并做出了解释,为空心光纤应用打下了基础。     

缺陷层空心单模Bragg光纤的色散特性

针对空心单模Bragg光纤在1.55μm附近表现出非常大的正色散,研究了包层缺陷层对空心单模Bragg光纤色散的调节作用。利用光学软件FDTD Solutions对缺陷层空心单模Bragg光纤的模式耦合特性进行分析;对比分析普通空心单模Bragg光纤和缺陷层空心单模Bragg光纤的色散曲线;讨论了包层缺陷层结构参数对空心单模Bragg光纤的色散调节作用。     

利用非相干光源基于多模光纤获得空心光束

提出利用非相干单色发光二极管(LED)光源和多模光纤产生空心光束。证实了将LED光源以一定角度倾斜耦合进大芯径多模光纤可获得光斑均匀的空心光束。分析了光束在多模光纤中的传输路径和产生空心光束的机理,并用Zemax软件建立仿真模型进行模拟。搭建利用LED和多模光纤产生空心光束的实验系统并且与激光作为光源产生的空心光束进行分析比较,结果表明利用LED光源获得的空心光束均匀性更好。     

空心光子晶体光纤

利用传输常数来认识空心光子晶体光纤的导光机制,并介绍了一种新型全方向波导光纤,最后报道空心光子晶体光纤应用研究的一些进展。     

低色散单基模空心Bragg光纤

针对飞秒光脉冲全光纤化传输的需求,研究了空心Bragg光纤单基模传输的特性。进而设计了一款空心Bragg光纤,用于中心波长在1.550μm的飞秒脉冲单基模传输。为了解决空心Bragg光纤在工作窗口色散过大的问题,通过合理的引入缺陷层调节空心Bragg光纤单基模传输的色散特性,使其在工作窗口低色散或零色散传输。仿真结果表明,空心Bragg光纤在1.45μm至1.65μm的带宽范围内都可以维持单基模、低色散或零色散传输,完全满足脉宽为100飞秒的光脉冲全光纤化传输的需求。     

用于气体痕量检测的中红外空心布拉格光纤

布拉格光纤是一种一维光子晶体带隙导引光纤.针对布拉格光纤在气体痕量检测领域的应用,设计了传输波段中心波长位于中红外波段的半导体玻璃/有机聚合物基空心布拉格光纤.通过预制棒熔拉法,制备出了中红外空心布拉格光纤的样品.传输谱和弯曲特性测试表明布拉格光纤样品具有两个明显的传输波段,体现了带隙导光的特征.低阶传输波段的中心波长为4.4μm.     

空心光纤中LP01模的场分布

本文用弱导光纤近似分析了空心光纤LP01模的场分布,得出了色散方程,并进行了数值计算.     

中红外空心Bragg光纤的制备及在气体传感中的应用

空心Bragg光纤可广泛用于气体传感, 但要求它的传输通带处于中红外波段, 以便与待测气体的基频吸收峰匹配. 本文提出了空心Bragg光纤传输通带的一种设计方法与波长控制工艺, 可以实现传输通带在2.5-12 μ m内任意波长的空心Bragg光纤的制备. 实验制备出一阶传输通带分别在10.6 μ m和 3.3 μ m的光纤样品, 利用截断法测量出其一阶传输通带损耗分别为5.9 dB/m和8.8 dB/m. 利用在传输通带在3.3 μ m的样品中注入和排出甲烷/氮气混合气体, 观察到了光纤样品透射谱随注入气体浓度的变化, 并用指数稀释法初步测量了该系统的浓度探测极限约为26 ppm, 验证了该光纤应用于气体传感的可行性.     

采用四根单模光纤束实现消逝波原子(或分子)波导的理论分析

提出了一种利用四根亚微米单模光纤束实现冷原子(或冷分子)波导的新方案，计算了四光纤束内空心区域的消逝波光场及其光学囚禁势.研究表明这种蓝失谐的空心消逝波光场同样可用于实现冷原子(或冷分子)的激光波导，而且与传统的中空光纤原子波导方案相比，不仅简单方便，造价低廉，而且更容易实现冷原子物质波的高效单模波导. 关键词： 单模光纤 消逝波 原子(或分子)波导     

染料掺杂液晶可调谐光纤荧光光源的研究

本文提出了染料掺杂液晶填充空心光纤构造荧光可调谐光源.基于染料分子能级结构理论分析B4400荧光光谱依赖温度的变化特性,采用脉宽8 ns,波长为532 nm YAG倍频脉冲激光器抽运,向列相液晶作基体,实验分析染料B4400掺杂液晶填充空心光纤荧光光谱选择性荧光放大规律及温度调谐特性.结果表明:通过控制染料浓度可控制荧光输出功率水平;当温度升高时,中心波长发生红移,中心波长调谐范围为590—605 nm;荧光谱宽呈单调展宽,调制范围为228—236 nm;染料掺杂液晶填充空心光纤荧光光源可实现一定范围内的温度调谐.     

单程高增益1.9μm光纤气体拉曼激光器

报道了基于空心光子晶体光纤中氢气分子振动受激拉曼散射(SRS)的单程高增益1.9μm光纤气体激光器。用一个线偏振1064nm亚纳秒脉冲微芯激光器抽运一段长6.5m、充高压氢气的低损耗负曲率空心光纤,实现了到氢气分子一级振动斯托克斯波1907nm的有效转换。气压为2.3MPa时最大能量转换效率大于27%,相应的量子转换效率大于48%,激光平均功率约为10mW,峰值功率大于2000W。为实现高功率、窄线宽、大范围调谐的紧凑型中红外光纤激光器提供了一条潜在的有效途径。     

利用空心光纤探测飞秒脉冲在氩气中成丝过程中的光谱演变

采用420μm纤芯直径、18cm长的空心光纤作为探测器，在强飞秒激光在氩气中成丝的条件下，研究了成丝不同部位的光谱变化.实验结果表明由于成丝范围内不同部位的脉冲宽度不一样，导致空心光纤位于成丝的不同位置时所获得的光谱展宽也不尽相同.在成丝长度范围内的特定位置可以将50fs入射脉冲最窄压缩至24.8fs.     

应用于低折射率样品检测的SERS活性液芯光纤

用纳米组装方法在空心光纤内壁修饰SERS活性基底构成内壁具有表面增强拉曼光谱活性层的液芯光纤。激发光由光纤壁横截面入射,并在光纤壁中传播。由于光纤壁的折射率大于检测样品溶液的折射率,使得激发光在光纤壁中发生全反射,并在消逝场下穿透修饰层,激发样品拉曼散射。本方法融合了表面增强拉曼光谱技术与液芯光纤技术的优势,可成为应用于低折射样品溶液体系检测的又一手段。     

基于石墨烯涂覆空心光纤电光调制特性的研究

设计了一种新型的石墨烯-空心光纤可调谐结构, 将石墨烯涂覆在空心光纤的空气孔内表面上, 利用有限元法研究了该结构的电光调制特性. 通过改变石墨烯的化学势可以调控光纤的相位和开关特性, 还可以调谐光纤损耗峰与次峰的位置、强度和宽度. 然而, 空气孔半径和石墨烯层数不会改变开关点和损耗峰与次峰的位置, 只会改变损耗差和损耗峰的强度和宽度, 而且由N 层石墨烯引起的损耗差是单层的N倍. 这是因为石墨烯的介电常数决定了光纤的有效折射率和损耗, 通过改变石墨烯的化学势可以改变石墨烯的介电常数, 而石墨烯的层数和空气孔半径却不会改变石墨烯的介电常数, 但是改变了石墨烯和光的作用强度. 经过参数优化之后, 我们提出一种基于五层石墨烯涂覆空心光纤的电吸收型调制器, 工作在1180–1760 nm波段, 具有小尺寸(5 mm×125 μm)、宽光带宽(580 nm)、高消光比(16 dB)、高调制带宽(64 MHz) 和低插入损耗(1.23 dB) 特性. 研究结果对基于石墨烯的可调谐光纤光子器件的设计和应用提供了理论参考.     

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.     

亚微米局域空心光束的产生及其在单原子囚禁与冷却中的应用理论研究

提出了一种采用单模光纤、环形二元相位板和微透镜组成的光束整形系统产生亚微米局域空心光束的方案. 根据瑞利-索莫菲衍射积分公式, 数值计算了微透镜焦平面附近的场分布, 详细研究了空心光束的暗斑尺寸与单模光纤模场半径和微透镜焦距的关系. 数值计算结果表明: 在微透镜焦平面附近光场分布近似对称, 在焦点处场强近似为零, 周围场强逐渐增大, 形成半径约为0.4 μm的三维封闭的球形空心光场区域, 即亚微米局域空心光束. 当局域空心光束为蓝失谐时, 光场中的原子将被囚禁在光场最弱处. 若加上抽运光, 原子将受到蓝失谐局域空心光束与抽运光共同激发的强度梯度Sisyphus冷却. 本文利用该方案产生的亚微米局域空心光束构建单原子的囚禁与冷却器件, 并以单个⁸⁷Rb原子为例, 利用Mont-Carlo方法研究亚微米局域空心光束中单原子囚禁与强度梯度冷却的动力学过程, 结果表明利用该器件可以获得温度在5.8 μK量级的超冷单原子.     

光纤光栅在干式空心电抗器固化中的测温研究

采用埋入式光纤Bragg光栅温度传感器,实现了对干式空心电抗器固化过程中各包封层的温度监测。在制作过程中,将温度传感器埋在干式空心电抗器导线外包封表面,连接光纤从电抗器上沿引出。电抗器绕线与包封完成后放入干燥室内固化,监测电抗器各包封层在固化过程中的温度变化。通过监测得到了电抗器各包封温度变化的曲线图,当炉温示值稳定在140℃时,各包封温度低于预期,分布在105~125℃之间,且由外向内逐渐降低。通过对干式空心电抗器固化过程中的温度进行监测,可实时了解并改进干燥固化过程中出现的问题,对保证电抗器的质量及安全具有重要意义。     

在纤式回音壁模式微球谐振腔及其传感特性

提出一种在纤式回音壁模式微球谐振腔，并对其温度和折射率传感特性进行研究。首先，分析了不同尺寸的微球腔与光纤结构耦合时的相位匹配情况，以锥形光纤为探针来拾取并移动钛酸钡微球，将其嵌入空心光纤，形成在纤式谐振腔结构，从而在微球中激发回音壁模式，并与空心光纤端面的反射光相互作用，产生法诺共振。实验结果表明，激发的法诺共振峰曲线的斜率高达-99.3 dB/nm。另外，通过实验证明了此结构对温度和折射率均具有较好的传感特性，灵敏度分别为26.8 pm/℃和-244.97 dB/RIU。该谐振腔性能稳定、结构紧凑、加工简单，在纤式的反射结构使其有望在复杂的传感环境中发挥作用。     

外腔式光纤Fabry-Perot干涉型高温应变传感器

介绍了一种外腔式光纤Fabry-Perot干涉型(EFPI)高温应变传感器,传感器是在两段切割平整的单模光纤之间熔接一段空心光纤构成。实验证明,传感器在1000℃以下时能够稳定工作,腔长变化灵敏度为0.17nm/με,应变测量灵敏度可达±1με,线性度高达0.99998。EFPI高温应变传感器结构紧凑,工艺简洁,成本低廉,是一种可靠、优秀的高温应变传感器。     

激光射枪(Optical Pea Shooter)

英国Ｂａｔｈ大学的Ｆ .Ｂｅｎａｂｉｄ教授及其研究组用一束激光将聚苯乙烯小球推进入空心的光纤管中。过去曾经用激光射枪成功地将粒子推入到毛细管内 ,但激光在通过毛细管时 ,由于在这类管壁上激光会迅速地泄漏 ,所以推进的效率不高。现在Ｂａｔｈ大学的研究组将毛细管用光学纤维的空心管来代替 ,这种材料在激光通过光纤管时能约束激光 ,因而极大地提高了作为射枪的效率。他们的实验是将直径为 5 μｍ的聚苯乙烯小球以每秒 1 1ｃｍ的速度在光纤管内推进 ,氩激光束的功率是 80 μＷ。研究组认为 ,这项技术最终将对在比较复杂的生物样本中…