γ辐射对光纤波导电磁场分布的影响

开展了光纤波导中的电磁场传输理论分析,得到了光纤折射率变化对波导中电磁场分布的影响规律,建立了块状融石英材料及光纤光栅在60Co 辐射作用下折射率变化的测量系统,开展了折射率随辐射剂量变化及光纤模场测量实验。结果表明:光纤的折射率随辐射剂量的增加而增大,折射率的变化会引起波导中传输模式的场强分布变化,从而导致光纤的辐射感生波导损耗;在一定的辐射剂量范围（0～2000 Gy）内,光纤仍满足弱导边界条件,能够维持对传输模式的约束能力。     

脉冲γ射线对光纤的辐射效应

介绍了光纤的损耗机制和γ射线对光纤的辐射效应,设计了针对脉冲γ射线作用于光纤而产生辐射感生损耗的实验测量系统。利用平均光子能量为0.3 MeV、脉冲宽度25 ns、剂量率2.03×107Gy.s-1,和平均光子能量为1.0 MeV、脉冲宽度25 ns、剂量率5.32×109Gy.s-1的2种脉冲γ射线分别作用于多模和单模光纤,分别采用波长为405,660,850,1 310和1 550 nm的激光光纤传输系统对辐射感生损耗进行了测量。获得了光纤辐射感生损耗和辐射剂量的关系,并对实验结果进行分析。从实验结果可以看出:在近红外到可见光范围内,脉冲γ射线对光纤作用产生的辐射感生损耗随探测波长减小而增大;在0.1~3.5 Gy剂量范围内,多模光纤辐射感生损耗和辐射剂量呈线性关系。分析辐射对光纤的作用机制和实验结果后得出:光纤基质原子的电子能级对传输光子的共振吸收而造成吸收损耗增加;光纤折射率分布的改变从而导致波导损耗增加。     

掺铒光纤动态光栅与光纤Bragg光栅Fabry-Perot腔特性研究

提出的一种由掺铒光纤动态光栅和光纤Bragg光栅构成的Fabry-Perot腔。通过建立二能级掺铒光纤动态光栅模型,根据半经典相互作用理论和传输矩阵理论,计算出掺铒光纤动态光栅以及该Fabry-Perot腔的透过率和反射率,并分析动态光栅中相干探测场拉比频率、掺铒光纤长度、光纤Bragg光栅的折射率调制深度以及FabryPerot腔的腔长等参数改变时对动态光栅和Fabry-Perot腔反射谱的影响。该Fabry-Perot腔的一个重要性质是其输出光谱可以通过调节探测场的拉比频率、探测场波长等参数进行动态调制。相比于由两个光纤Bragg光栅构成的Fabry-Perot腔,参数可调的系统比参数固定的系统更加灵活,并且能够克服Fabry-Perot腔两端的光纤Bragg光栅不对称的缺点(如不同的Bragg波长、折射率调制深度等),更有利于Fabry-Perot腔的模式选择。该光纤Fabry-Perot腔可以应用于光纤通信的光信号处理或光纤传感领域。     

光学谐振系统中慢光特性研究

针对两环形腔与直波导耦合的系统,考虑光纤耦合器的插入损耗,发现两个耦合器反射值的不同匹配,却可以在谐振处得到相同的透过率峰值,因此可以不必限定某两个具体反射值,通过数值模拟得到中心频率处透过率峰值与群折射率的反比关系.由于群延迟与群折射率相对应,所以群延迟的增加势要以牺牲峰值透过率为代价.将增益介质加入到三环形腔与直波导耦合的系统中,可以使结构的色散响应由反常色散转化为正常色散,同样体现出慢光的特性.在频域和时域范围内分别对群延迟做了定量的分析. 关键词： 慢光 透过率 有效相移 群延迟     

基于粒子群算法的多通道光纤布拉格光栅滤波器优化设计

在多通道光纤布拉格光栅(FBG)滤波器的设计中,通道数目的增加会导致最大折射率调制深度的成倍增长,从而造成物理上的不可实现。为此,提出一种基于粒子群算法(PSO)与直接设计方法相结合的多通道FBG滤波器设计方法。该方法以最小化最大折射率调制深度为优化目标,在目标反射谱中引入一组群时延参数,为每个通道分配合适的群时延参数,建立群时延参数的优化模型。通过粒子群算法计算得到各通道群时延参数的优化分配值,提升折射率调制深度的均匀化分布程度,促使最大折射率调制深度降低到物理可实现的范围内。仿真实验结果表明设计的40通道数、106通道数的两种FBG滤波器的反射谱均匀性好,最大折射率调制深度均降到0.001以下。     

SESAM锁模全保偏光纤激光器重复频率的精确锁定

实验采用共振增强式非线性折射率调制技术实现了半导体可饱和吸收镜锁模全保偏掺镱光纤激光器重复频率的精确锁定。在掺镱光纤激光器的腔内加入一个980/1064nm的波分复用器(WDM)和一段掺铒增益光纤,通过反馈控制加载在该掺铒光纤上的976nm抽运光LD2功率调控掺铒光纤的非线性折射率,进而对激光器的光学腔长实施控制,最终实现重复频率的精确锁定。优化了不同掺铒光纤长度及抽运光初始功率对激光器重复频率控制范围和锁定精度的影响。结果表明:当掺铒光纤长度为1.75m时,通过调整抽运光功率能够实现180Hz的重复频率调整范围;而重复频率的锁定精度仅与抽运光的初始功率密切相关,并不受掺铒光纤长度的明显影响。当LD2抽运光强度为18mW时,重复频率峰-峰值的波动范围小于0.5mHz,相应的标准偏差为0.16mHz,输出功率的标准偏差为0.009mW。此外,通过反馈控制抽运源LD1的强度,并取掉了腔内的掺铒增益光纤及与其相连的WDM,发现由于共振增强非线性和克尔非线性对光纤折射率的叠加,在稳定的单脉冲锁模区间内,重复频率单调变化的范围增加至1kHz,而锁定精度略有降低。     

基于电光调制提高静态傅里叶干涉具光谱分辨率的研究

在静态干涉系统中,采用电光调制可变折射率晶体LiNbO₃做静态傅里叶干涉具的材料,两侧分别加载相位相反的调制信号,从而在不改变静态傅里叶干涉具尺寸的条件下提高光谱分辨率。通过推导光程差函数与折射率调制度的函数关系,计算得在折射率调制度为0.030的条件下,比同尺寸干涉具光谱分辨率提高了16.7倍,达到2.836 cm-1。仿真结果表明折射率调制度会因波长增大而减小,光程差函数会随干涉位置的增大而产生偏大的现象。实际探测过程中,由于光谱范围500～1 100 nm相对较窄,波长变化造成的光谱探测失真不大,可以通过标定补偿,所以应用该方法可以有效地提高静态干涉系统的光谱分辨率。     

侧边抛磨光纤中传输光功率变化的实验研究

针对轮式光纤侧边抛磨法制备的侧边抛磨光纤,研究了在侧边抛磨区覆盖不同折射率的材料时,侧边抛磨光纤传输光功率随覆盖材料折射率变化的特性.研究表明,侧边抛磨光纤中传输光功率会随抛磨区覆盖材料折射率的变化而改变.当覆盖材料的折射率小于1.437 8时,光功率损耗近似为零；而当覆盖材料的折射率逐渐增大接近1.452 1时,光功率损耗迅速增大至最大值.当覆盖材料的折射率由1.453 2逐渐增大时,光功率损耗由最大值逐渐减小,最终维持在某个确定的值.侧边抛磨光纤并不是抛磨深度越深,损耗就越大.侧边抛磨光纤中传输的光功率存在波长相关损耗(WDL）.实验结果与理论结论符合较好.     

侧边抛磨光纤波导传输特性的理论分析

在建立侧边抛磨光纤D型光纤边界条件的基础上,用三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光纤器件的光功率衰减随光纤的侧边抛磨长度、光纤侧边抛磨后剩余包层的厚度、以及填充聚合物材料折射率三个参量变化的特性.结果表明,侧边抛磨光纤器件的光功率衰减随着抛磨长度的增加而增大;当抛磨长度等于9 mm时,光功率衰减随着剩余包层厚度的增大而单调递减.而当抛磨长度大于9 mm时,剩余包层厚度小于3 μm的范围内,光衰减随着剩余包层厚度的增加出现振荡;当聚合物折射率与纤芯折射率相同时,光功率衰减最大.     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

内置调制层型光纤表面等离子体波共振传感器研究

研究了一种基于内置调制层结构的光纤表面等离子体波共振(SPR)传感器。通过在金膜与纤芯的内侧增覆具有不同厚度和属性的光学透明薄膜作为内调制层,构成了性能独特的光电复合薄膜,起到调节倏逝波矢量和金膜表面等离子体振荡波矢量的双重作用,进而控制共振效应,为调节灵敏度提供依据。采用时域有限差分方法对内置调制层结构光纤SPR共振激励模型属性进行数值仿真。在此基础上,研制了用于液体折射率测量的内置调制层型光纤SPR传感探针。实验结果表明,该传感器在1.335～1.392折射率范围内,随着待测液体折射率的增大,SPR共振光谱向长波方向偏移,且灵敏度达到2263.1nm/RIU,与基于纤芯-金膜-环境介质三层结构的常规光纤SPR传感器相比提高一倍,能够更好地满足环境折射率检测的需求。     

吡虫啉的太赫兹(THz)光谱研究

由超短激光脉冲产生的脉冲波是具有较宽频带的电磁辐射,属于远红外波段,该波段电磁波与物质的相互作用是个崭新的研究领域。文章利用太赫兹时域光谱技术测量了室温下吡虫啉在0.2～2.0 THz范围内的吸收谱和折射率谱。结果表明吡虫啉在此波段有明显的特征吸收峰且吸收系数随频率的增加而增大,折射率也随频率的增加而有所增大,其平均折射率为1.65。实验研究的同时,运用半经验理论计算了吡虫啉分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率,并根据计算结果对实验数据进行了解析。计算结果与实验光谱吻合得很好,实验光谱的特征吸收峰是由分子的集体振动及扭转形成, 不同的吸收峰位对应分子不同的振转模式。实验和理论研究的对比表明：分子的远红外吸收特征对于分子的结构和空间排列非常敏感,THz-TDS是研究生物分子集体振动模式和构象结构的好方法。     

Optical properties of human jawbone and human bone substitute Cerabone® in the terahertz range

The refractive indices n(ω) and absorption coefficients α(ω) of the jawbone and the human bone substitute Cerabone® were determined in vitro by the terahertz (THz) time-domain spectroscopy (TDS) in a wide frequency range from 0.2 to 2.5 THz. It is shown that the refractive index of the human jawbone changes between the values of 2.075 and 2.157, and of the Cerabone® between 2.4 and 2.65. The absorption coefficient of the human jawbone increases depending on the frequency from 1.7 cm^–1 to 178.5 cm^–1, showing several resonance absorption lines at the values greater than 1.6 THz. The absorption coefficient of Cerabone® increases from zero to 80 cm^–1, and the resonance absorption occurs at 1.7 THz. The obtained results allow us to determine the proximity of the physical properties of the bone transplantation material Cerabone® with the natural bone matrix.     

Thermodynamical analysis of refractive index variations

A thermodynamical relation connects at constant volume the temperature derivative of refractive index n(ω) to the entropy variation induced in the medium by a wave of frequency ω for which it is transparent.In gases and in solids we study some consequences of this relation on refractive index variations and spectral frequency shifts.Second-order Doppler shifts and Fizeau drag-effect are also considered. We derive some reciprocal relations connecting the effects of mechanical energies on optical properties to the reverse effect of optical energies on the mechanics.In solids these relations have a very simple expression.     

Amplitude modulation and demodulation of an electromagnetic wave in magnetised acousto-optic diffusive semiconductor plasmas: Hot carrier effects

In communication processes, amplitude modulation is very helpful to save power using a single band transmission. Using the hydrodynamical model of semiconductor plasma analytical investigations are made for the amplitude modulation as well as demodulation of an electromagnetic wave incorporating carrier heating (CH) effects in acousto-optic magnetised semiconductor plasma. The CH effects add new dimensions in the present analysis. Analysis are made under different wave number regions over a wide range of cyclotron frequencies. It is found that incorporation of CH effects modifies the amplitude modulation and demodulation processes effectively. Numerical estimations are made for III–V semiconductor crystal irradiated by pump wave of frequency 1.6×10¹³ s^?1. Complete absorption of the waves takes place in all the possible wavelength regimes when the cyclotron frequency ω_c becomes nearly equal to ω₀, the pump frequency on neglecting the collision term in modulation/ demodulation indices.     

驱动场相位扩散对三能级梯型系统无反转激光的影响

在旋波、慢变振幅近似下,求解考虑了驱动场相位扩散后的系统密度矩阵运动方程,并给出了这个三能级梯型系统稳态线性解析解.利用得到的稳态线性解析解分析驱动场相位扩散是如何影响该系统输出无反转激光的.对稳态线性解析解数值计算的结果显示:由于驱动场相位扩散会导致无反转激光增益减小;即使由于驱动场相位扩散引起的线宽足够大,在该系统中仍能够获得无反转激光;线宽往往是破坏无反转激光产生和折射率的提高;因驱动场相位扩散导致无反转激光增益的减小,并不是总能够通过增大驱动场的Rabi频率得到补偿.     

Modulation instability of pulsed radiation in an optical waveguide in the presence of the traveling refractive index wave

The conditions for the onset of modulation instability of wave packets in an optical waveguide in the presence of the traveling refractive index wave are investigated. An expression governing the growth rate of a small harmonic perturbation at the early development stage of the modulation instability is obtained. Based on numerical analysis, the behavior of the wave packet at the developed modulation instability stage is studied for different parameters of the waveguide and the refractive index wave.     

湍流折射率谱型对大气闪烁和相位起伏功率谱的影响

基于Taylor湍流冻结假设理论,在不同湍流折射率谱型条件下,推导得出了光波闪烁和相位起伏频谱的表达式;数值计算了湍流谱型中折射率标度指数、内尺度以及外尺度变化时对光波频谱的影响。结果表明:随着折射率起伏标度指数的增大,闪烁频谱的低频段不再仅为常数,高频段下降的幂率逐渐增大,同时相位频谱在整个起伏频率段下降的幂率越来越大;湍流内尺度的增加将引起光波频谱的高频段下降的幂率越来越大;而随外尺度的减小,闪烁频谱低频段的振幅减小,这种影响在大口径接收时较为明显,相位谱的低频段幂率减小。     

Measurement of the frequency response of the electrostrictive nonlinearity in optical fibers

The electrostrictive contribution to the nonlinear refractive index is investigated by use of frequency-dependent cross-phase modulation with a weak unpolarized cw probe wave and a harmonically modulated pump copropagating in optical fibers. Self-delayed homodyne detection is used to measure the amplitude of the sidebands imposed upon the probe wave as a function of pump intensity for pump modulation frequencies from 10 MHz to 1 GHz. The ratio of the electrostrictive nonlinear coefficient to the cross-phase-modulation Kerr coefficient for unpolarized light is measured to be 1.58:1 for a standard step-index single-mode fiber and 0.41:1 for dispersion-shifted fibers, indicating a larger electrostrictive response in silica fibers than previously expected.     

Polarization-Dependent Phase-Conjugate Reflectivity in Randomly Oriented Saturable Absorbers: Effects of Direction of Transition Dipole Moment Associated with Excited-State Absorption

The effects of the direction of transition dipole moment on polarization-dependent phase-conjugate (PC) reflectivity by degenerate four-wave mixing in a saturable-dye-doped film are theoretically investigated. On the basis of a four-energy-level model for the saturable dyes, the pump-intensity dependence of the PC reflectivity is calculated for the two cases of a probe wave being polarized either parallel or perpendicular to pump waves, when the transition dipole moment associated with excited-state absorption tilts from that associated with ground-state one. For the parallel polarization, in the case of two transition dipole moments having different directions, a dip appears in the PC reflectivity curve near a resonant frequency on account of the characteristics of nonlinear absorption, whereas it disappears when the frequency of light is off resonance due to the influence of nonlinear refractive index.