薄膜参数对镀膜长周期光纤光栅透射谱的影响

基于四层光纤模型,采用数值模拟方法,研究了镀膜长周期光纤光栅的膜层折射率及厚度等参数对其传输谱特性的影响。结果表明,随膜厚增加,各包层模式有效折射率增大,谐振波长向短波区漂移。当膜厚达到一定数值后,有效折射率及谐振波长急剧变化,长周期光纤光栅频谱出现模式转换现象,模式跳变转折点对应最优薄膜厚度,不同薄膜介质对应不同的最优膜厚,研究对提高长周期光纤光栅传感器的敏感度具有重要的指导意义。     

基于模式转换及双峰谐振效应的薄包层镀膜长周期光纤光栅特性研究

基于耦合模理论,首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换,划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性,包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。在此基础上,研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况,结果表明,相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区,包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应,进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案,当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内,光栅周期靠近相位匹配转折点时,将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径,将进一步提高传感器的分辨本领。     

镀高折射率纳米膜的长周期光纤光栅特性研究

针对镀高折射率纳米膜的长周期光栅,建立了传感理论模型,研究了长周期光栅的谐振波长与纳米膜厚度及外界折射率的关系,给出不同纳米膜厚度下长周期光栅不同包层模式重组特性.研究发现,当长周期光栅外面镀上一层沿角向均匀分布的纳米膜时,随着膜厚变化会出现包层模分布的明显调制;适当选择镀膜参数和外界介质折射率,最低次包层模式HE1,2会成为镀膜层中的导模,其他的包层模式将会发生模式转换现象;对于较低次包层模式(如HE1.6),在模式转换的时候存在两步转换,而高次的包层模只有一步转换(如HE1.14).同时给出了包层模式转换对外界折射率响应的关系:当膜层厚度增加时,长周期光栅模式转换现象移至低折射率区域.     

镀金属两层膜系长周期光纤光栅模式转换与折射率响应

基于耦合模理论,研究了镀金属两层膜系长周期光纤光栅(LPFG)的模式转换及其折射率响应特性。从表面等离子体共振(SPR)的激励条件和模式转换发生条件出发,指出镀金属两层膜系LPFG中的SPR和模式转换不会同时发生,在此基础上分析了镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率随敏感薄膜厚度的变化,发现镀金属两层膜系LPFG的模式转换区域比镀膜LPFG的转换区域要宽,且模式转换区域内第一次转换时的有效折射率变化斜率比镀膜LPFG的大,意味着在该区域其对敏感膜层的变化有更高的响应。考察了金属薄膜厚度对镀金属两层膜系LPFG包层模有效折射率的影响,结果表明,随着金属薄膜厚度的增加,第一次转换时有效折射率的变化斜率逐渐增加。分析了第一次转换时镀金属两层膜系LPFG透射谱对敏感薄膜折射率变化的响应特性,结果表明,镀金属两层膜系LPFG传感器对敏感薄膜折射率的灵敏度明显高于镀膜LPFG,对敏感薄膜折射率的灵敏度的分辨率可达10-6。     

矩形折射率调制型薄膜长周期光纤光栅特性研究

镀膜长周期光纤光栅传感器是目前光纤光栅传感研究的一个热点,但关于此类传感器模型的全面的理论分析目前还很少。本文基于严格的四层模型,从理论上对芯层折射率调制为矩形波调制的薄膜长周期光纤光栅的特性进行了详细的分析。在充分考虑材料色散对光纤芯层和包层的影响后,对薄膜参数、占空比和环境折射率的变化对镀膜长周期光纤光栅的谱特性的影响进行了数值研究。研究结果表明,薄膜参数对透射谱有重要影响,合理设计薄膜厚度可以获得较佳的损耗峰。研究还发现,镀膜后占空比对透射谱的影响减小,而对环境折射率变化的敏感度增加。在占空比为0.5时光栅具有最大的损耗峰值。     

薄膜长周期光纤光栅透射谱的优化算法

通过对长周期光纤光栅模式耦合机理和长周期光纤光栅透射谱特点的详细分析,给出了仿真薄膜长周期光纤光栅透射谱的解决方案。该方案从大量的波长抽样点中选择那些对耦合有贡献的抽样点来计算,并且对每一抽样点只计算最有效的模次的耦合,可以在保证模拟的正确性的前提下最大限度地减少长周期光纤光栅透射谱仿真的计算量。以振幅掩模法（芯层折射率分布近似为矩形分布）写制的薄膜长周期光纤光栅进行了数值研究,研究中考虑了材料色散对导模和包层模式折射率的影响。研究结果表明,该方案能极大提高仿真速度。     

长周期光纤光栅折射率传感器的结构优化

为了提高长周期光纤光栅对环境介质折射率的传感灵敏度,提出一种长周期光纤光栅的周期和包层半径的结构优化.基于长周期光纤光栅的耦合模理论,分析了长周期光纤光栅的周期和包层半径的大小分别与环境介质折射率传感灵敏度的关系,讨论了长周期光纤光栅的周期和包层半径对折射率传感的影响以及控制光栅周期与包层半径对折射率传感的重要性.为使...     

长周期光纤光栅折射率传感器的结构优化

为了提高长周期光纤光栅对环境介质折射率的传感灵敏度,提出一种长周期光纤光栅的周期和包层半径的结构优化.基于长周期光纤光栅的耦合模理论,分析了长周期光纤光栅的周期和包层半径的大小分别与环境介质折射率传感灵敏度的关系,讨论了长周期光纤光栅的周期和包层半径对折射率传感的影响以及控制光栅周期与包层半径对折射率传感的重要性.为使优化的长周期光纤光栅具有实用性,谐振波长设计在1.55 μm的常规波长范围,经过多次摸拟实验,提出最佳优化参量为：Λ=380 μm,rcl=17 μm,对环境介质折射率从1.26~1.38不同值的实验测试,折射率传感灵敏度达到0.000 12,长周期光纤光栅的结构优化获得理想的预期效果.     

模式耦合理论在圆周对称长周期光纤光栅建模中的应用

长周期光纤光栅是不同于光纤Bragg光栅的一种光纤光栅器件 ,根据模式耦合理论 ,长周期光纤光栅表现为前向传播的纤芯导模和同向的各阶次包层模式之间的耦合。分析研究了长周期光纤光栅轴向的模场变化。忽略轴向的模式耦合以及包层模式之间的相互耦合作用 ,并认为折射率指数的调制只存在于纤芯中 ,建立了简化的长周期光纤光栅数学模型。对圆周对称轴向均匀型长周期光纤光栅谱特性进行了仿真 ,其结果与实验结果基本吻合 ,表明了简化的数学模型的合理性     

振幅掩膜紫外写入的长周期光纤光栅特性研究

振幅掩膜紫外写入的长周期光纤光栅的纤芯折射率分布函数为矩形波。以三层阶跃折射率光波导结构基础，用弱导标量近似和标量耦合模理论分析折射率调制类型为矩形波的长周期光纤光栅的特性。详细地给出耦合模方程近似处理的方法，并说明了其合理性。用数学软件Matlab进行了数值模拟计算，发现折射率调制类为矩形波的光栅传输谱不是由它的各次余弦光栅谱的线性叠加而成的。还研究了外部环境折射率、包层半径、栅占空比等光栅结构参量对矩形折射率调制的光栅传输谱的影响。同时指出了每阶包层模的双谐振峰位置随栅参量的变化规律。刊■刊『_型，刿j1     

镀膜长周期光纤光栅耦合系数的研究

给出了镀膜长周期光纤光栅芯层模式和包层模式耦合的耦合系数的详细表达式,应用此表达式对镀膜长周期光纤光栅的耦合系数的特性进行了较为详细的研究。研究发现:1)同次模式的耦合系数随薄膜厚度变化而变化,在某些厚度下,奇次模式耦合的耦合系数与偶次模式耦合的耦合系数几乎相等;2)在某些厚度处,交流耦合系数会有跳变发生;3)交流耦合系数随环境折射率的变化而变化,并且当环境折射率靠近光纤包层折射率时交流耦合系数会有急剧跳变发生。     

矩形折射率分布长周期光纤光栅特性中耦合精度的分析

采用耦合模理论,针对光纤芯层为矩形折射率分布的长周期光纤光栅,分析不同模式间耦合对计算精度的影响。结果表明:对于一阶低次包层模式,偶次包层模式与光纤芯层基模的耦合常数要远远小于奇次包层模式与光纤芯层基模的耦合常数。因此,在不影响计算精度的情况下,可以采用忽略偶次包层模式的方法来提高计算速度。同时,根据不同的计算波长范围和计算精度的要求,可以选择合适的正弦折射率调制阶数范围来减小计算工作量。     

薄包层长周期光纤光栅薄膜传感器特性研究

基于薄膜参量变化引起的长周期光纤光栅模式重组机制,系统研究了光纤包层半径变化对长周期光纤光栅薄膜传感器特性的影响.结果表明,在相同薄膜参量下包层半径的减小可有效提高传感器的灵敏度,并增大传感器对薄膜参量变化响应的动态范围,但减小包层半径对传感器的增敏效应随薄膜厚度的增大而减小.通过氢氟酸腐蚀减小包层半径,采用静电自组装法在包层表面镀制PAH/PAA薄膜,镀膜过程中光纤光栅输出的光谱数据证实了理论分析结果.实验结果表明:半径为39μm、膜厚为424nm的长周期光纤光栅薄膜传感器在溶液pH值检测中的灵敏度达3.93nm/pHU,比标准包层时的灵敏度提高了1倍.     

有限包层半径光纤Bragg光栅的理论研究

采用光纤波导三层模型,对有限包层半径光纤Bragg光栅导模有效折射率的改变进行了理论分析,结果表明:当包层直径小于16μm时,单模光纤Bragg光栅(纤芯直径为8.3μm)的导模有效折射率才开始发生明显变化.在包层外添加外包层,通过改变外包层的折射率可以实现对光栅Bragg反射波长的调谐,同时对不同芯子直径的光栅Bragg波长移动进行了数值计算.在保证光纤归一化频率不变的前提下,芯径越小Bragg波长调谐范围越大,当包层厚度为1μm时,芯径为a＝2.2μm的光栅Bragg波长调谐范围约为3.9μm.     

长周期光纤光栅气敏薄膜传感器结构优化

基于三包层长周期光纤光栅模型,研究了包层表面涂覆一层溶胶凝胶气敏薄膜的长周期光纤光栅化学传感器的灵敏度Sn与薄膜光学参量(折射率n3和厚度h3)和光纤光栅结构参量(光栅周期、折变量和光栅长度)之间的关系。采用最优化数值方法,找到了获得高灵敏度所需的最佳膜层光学参量和光栅结构参量。理论计算表明,该类型传感器对膜层折射率的测量分辨率高达10-8。实验上制作了对乙醇气体敏感的传感器,并证实了传感器结构优化的必要性。     

单入射波长及纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的折射率传感分析（英文）

利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的环境折射率传感测量方法.以波长为谐振波长的完全偏振光为入射波,通过分析不同环境折射率下输出光的偏振态在邦加球上与参考点间球面距离的变化测量环境折射率.分析表明,在环境折射率1~1.30范围内包层半径为20.75μm的长周期光纤光栅传感器线性特性良好,灵敏度为0.356/RIU,可应用于湿度和气体的折射率测量;该分析方法适用于其他类型的双折射长周期光纤光栅传感器的设计.     

单入射波长及纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的折射率传感分析

利用全矢量耦合模方程提出并分析了一种基于纤芯存在光致双折射的长周期光纤光栅的环境折射率传感测量方法.以波长为谐振波长的完全偏振光为入射波,通过分析不同环境折射率下输出光的偏振态在邦加球上与参考点间球面距离的变化测量环境折射率.分析表明,在环境折射率1～1.30范围内包层半径为20.75 μm的长周期光纤光栅传感器线性特性良好,灵敏度为0.356/RIU,可应用于湿度和气体的折射率测量;该分析方法适用于其他类型的双折射长周期光纤光栅传感器的设计.     

三包层长周期光纤光栅谐振波长与薄膜光学参数的关系

通过求解严格的耦合模理论建立的三包层结构长周期光纤光栅特征方程,研究了三包层长周期光纤光栅谐振波长与第二包层(薄膜)的折射率和厚度之间的关系。结果发现,随着膜厚及折射率的增大,谐振波长偏移的变化分成三个区域,这与Nicholas D R的实验结果相符。利用HE/EH模的判据数,对三个区域的模特性进行了分析,给出了区域划分的衡量标准。给出了在不同薄膜参数时的长周期光纤光栅透射谱,发现一阶低次HE模式的耦合强度要远大于一阶低次EH模式。     

薄膜消光系数对镀膜长周期光纤光栅传输谱的影响

在长周期光纤光栅外镀折射率随环境变化而改变的敏感薄膜,其谐振波长随薄膜折射率的变化而改变。对无吸收薄膜,光栅耦合强度为π/2时,其传输谱中谐振波长对应的损耗峰峰值为零。镀复折射率薄膜的长周期光纤光栅,耦合强度为π/2时,损耗峰不为零,在谐振波长对薄膜折射率变化响应灵敏的区域,包层模传输常数的虚部较大,损耗峰幅值减小,甚至消失,不利于谐振波长的测量。通过求解镀复折射率薄膜长周期光纤光栅的耦合模方程,得到了损耗峰峰值的解析解。找到了损耗峰为零的条件。在此条件下设计光栅,可以有效地避免损耗峰减小带来的不利因素。     

镀膜长周期光纤光栅的折射率传感特性

基于严格的光栅三包层模型及其色散方程,对镀膜长周期光纤光栅的折射率传感特性进行了详细的研究.研究发现,镀膜长周期光纤光栅的谐振波长随环境折射率的变化而变化,而且这种变化有一个跳跃,跳跃后的变化与跳跃前相同:如跳跃前向短波方向漂移,则跳跃后也向短波方向漂移.镀膜后,长周期光纤光栅的折射率探测范围得到拓宽,而且探测的灵敏度...