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。     

基于纳米材料封装的干涉型微纳光纤温度传感器

为了提高温度传感器的灵敏度,本文提出了基于纳米材料封装的干涉型微纳光纤温度传感器。该传感器通过熔融拉锥光敏光纤得到微纳光纤,用毛细管封装后填充高热光系数氮化硼分散液,并用紫外胶封装防止氮化硼挥发。当微纳光纤直径越小时,倏逝场越强,与外界环境的相互作用也会增强,但在灵敏度与稳定性之间平衡折中,实验中选择直径为12.3μm的微纳光纤。氮化硼分散液随温度变化折射率变化大,即对温度变化更敏感,通过传输光谱的漂移来检测温度响应。实验结果表明,随着温度的升高,透射光谱向波长更短的方向移动。无纳米材料封装的温度传感器灵敏度为-0.0297 nm/℃,氮化硼分散液封装之后灵敏度最高可达-0.2878 nm/℃,大约为无纳米材料封装传感器灵敏度的十倍左右。氮化硼分散液的浓度对实验温度灵敏度的影响十分微弱。该传感器具有结构小巧轻便,成本低,机械性高等优势,而且纳米材料封装可保护微纳光纤免受环境变化造成的形变以及外界杂质对传感部分的污染,保证实验的准确性。该传感器在温度传感领域具有重大发展潜力。     

微纳光纤及其锁模激光应用

微纳光纤是一种直径接近或小于传输光波长的纤维波导,由于纤芯和包层折射率差较大,具有强光场约束、强倏逝场、低损耗、反常波导色散、表面均匀性好和机械性能高等特性。近年来,以纳米材料作为饱和吸收体的被动锁模激光器成为超短脉冲激光技术方向的研究热点。得益于微纳光纤的强光场约束能力及大比例倏逝场,纳米材料与微纳光纤的复合结构能显著增强光与物质的相互作用,进而降低该复合结构的饱和吸收阈值,为超短脉冲产生和非线性动力学等研究提供一个新颖而灵活的平台。同时,微纳光纤因具有反常波导色散、光谱滤波、饱和吸收和偏振敏感等特性,在激光器的色散调控、偏振锁模等方面获得应用。介绍了微纳光纤的制备和特性以及在锁模激光方面的典型应用和相关技术的最新进展,并就未来的发展方向进行了展望。     

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     

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     

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。     

基于微纳光纤的柔性仿生微结构触觉传感器研究

人类指尖的指纹图案以及互锁的表皮-真皮微结构在放大触觉信号并将其传递给各种机械感受器方面发挥着关键作用,从而实现对各种静态和动态触觉信号的时空感知。本文报道了一种受指尖皮肤微结构启发的微纳光纤柔性触觉传感器,该传感器具有环形脊的指纹状表面、错峰互锁的微结构以及刚度差异化的树脂/聚二甲基硅氧烷多层结构。通过这些设计特征,传感器能够以高耐久性、高灵敏度(20.58%N^-1)、快速响应(86 ms)及大动态范围(0～16 N)检测多种时空触觉刺激,包括静态、动态压力和振动,并能够识别物体的硬度和表面纹理差异。该传感器具有结构紧凑、制作简便、易集成、抗电磁干扰等优点,可被应用于机器人皮肤、可穿戴传感器和医疗诊断设备中。     

微纳光纤及其应用

微纳光纤是一种直径接近或小于传输光波长的波导,由物理拉伸方法制得,具有表面光滑、直径均匀性好、机械性能高、强光场约束、强倏逝场、表面场增强效应及反常波导色散等特性,在光通信、激光、传感检测、非线性光学、量子光学等领域具有重要的应用前景。     

微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感 数值模拟     

Measurement of the optical absorption coefficient for liquid based on optical microfiber

An inline measuring method of the optical absorption coefficient for liquid based on optical microfiber (OM) is studied. If an OM is immersed into absorptive liquid, the additional loss of the OM will increase. We have analyzed the relationship between the additional loss of the OMs and the absorption coefficients of the liquids, and found that the OM with determinate construction will be useful for measuring the absorption coefficients of the liquid whose refractive index is lower than that of the OM. Two OM samples are prepared to measure the absorption coefficient of pure water. A supercontinuum source is launched into the OM sample which is immersed into pure water, and absorption spectrum from 1400 to 1700 nm has been achieved by monitoring the additional loss. The trend of the absorption spectrum is similar with that of the reported result, showing that the inline measurement of the optical absorption coefficient is a feasible method for those lower refractive index liquids.     

基于飞秒激光抽运的石墨烯包裹微光纤波导结构的级联四波混频研究

基于石墨烯的光学非线性特性和器件研究正在成为新一代微纳光子器件的一个重要方向. 采用峰值功率为kW量级的飞秒脉冲抽运和P型掺杂石墨烯薄膜包裹的微光纤所构成的复合波导结构, 在1550 nm波段成功激发并观察到级联四波混频现象. 实验 结果表明, 这种P型掺杂石墨烯包裹的微光纤复合波导具有非线性系数高、结构紧凑, 可承受高功率和超快响应的特点, 对基于该结构的级联四波混频特性的研究在基于超快光学的多波长光源、光参量放大以及全光再生等领域具有参考价值和应用意义     

Miniature temperature sensor based on optical microfiber

Optical microfibers （OMs） are good alternatives in the field of sensing. In this letter, a simple and effective miniature temperature sensor based on OM is proposed and experimentally verified. Using pure water and fiber coating as the OM clad, an additional loss will occur due to the absorption of outer medium. The temperature of the outer environment can be estimated by monitoring the change in additional loss. In the demonstrated experiments, a series of OM with different diameters, waist lengths, and constructions are used as sensing elements. The correlation coefficients between the experimental results and the linear fittings are better than 0.99, and the temperature sensitivity obtained by the linear fittings can achieve -0.151 dB/℃ （in pure water） and -0.405 dB/℃ （covered by fiber coating）. Moreover, higher sensitivity can be obtained by decreasing the diameter, increasing the waist length of the OM, or choosing the proper operating wavelength.     

A temperature sensor based on optical microfiber knot resonator

A type of compact temperature sensor based on microfiber knot resonator is proposed and demonstrated experimentally. The microfiber knot, which is assembled by two fiber probes, is placed on a plate glass substrate and coated with low-index polymer to keep the system robust. Sensitivities of this kind of temperature sensor as 0.27 nm/°C in heating process (when temperature ranges from 28 to 140 °C) and −0.28 nm/°C in cooling process (when temperature ranges from 135 to 25 °C) are obtained. Temperature resolution of 0.5 °C is demonstrated and higher resolution is predicted with a high-resolution spectrometer.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

石墨烯覆盖微纳光纤复合波导全光优先吸收特性

利用二氧化碳激光器加热法,将普通单模光纤拉制成微纳光纤,用湿法转移石墨烯覆盖在微纳光纤上构成复合波导,不同波长的光通过耦合器进入复合波导,以倏逝波的形式与石墨烯相互作用,开展石墨烯优先吸收特性的研究。当短波作为泵浦光时,随着入射强度的增长,测得输出端长波信号光光谱的变化,获得了约3.5 dB的调制深度,0.62 dB·mW^-1的调制效率。当长波作为泵浦光并改变入射光强时,在输出端测得作为信号光的短波透过率变化约1.9%。实验结果表明,随着任意波长泵浦光入射光强的增长,复合波导对其表现出优先吸收的特性。实验还测试了长波和短波分别经过复合波导后透过率随输入功率的变化,得出长波的透过率增加速度比短波更快,并从能带和倏逝波两方面作出了对应的理论分析。     

Enhanced responsivity of a flexural disc acceleration sensor based on optical microfiber

Acceleration sensors based on centrally supported carbon-based flexural discs with different microfiber lengths, diameters and spatial configurations are investigated. The technique of spirally wound microfiber for higher packing density is demonstrated. The microfiber used in the designs has diameters of 2 and 10 μm. This allows configurations with small bending radii to be implemented, giving rise to high device compactness and potentially high responsivity.     

Theoretical study on slow light in different structures of optical microfiber knot resonators (OMKRs)

Based on the light propagation theory of the single-ring optical microfiber knot resonator (OMKR), we further establish the similar theory for OMKRs with a parallel connection structure and that with a serial connection structure, respectively. The relationships of the output and the input light fields in different OMKRs are analyzed. Numerical simulations of the slow-light performances of the OMKRs with single ring, multi-parallel rings and multi-serial rings at the communication wavelength around 1550 nm are given and discussed. Compared with the single-ring OMKR, it is found that a large group time delay with very narrow bandwidth can be obtained in OMKRs with n-ring parallel connection structure, while a broadband group time delay can be achieved in OMKRs with n-ring serial connection structure.