光子晶體光纖及其在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用研究.pdf

1、光子晶體光纖(PCF,又稱微結(jié)構(gòu)光纖)具有傳統(tǒng)光纖無法比擬的諸多奇異特性和優(yōu)勢(shì),引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,在短短的十幾年內(nèi)其相關(guān)研究取得了令人矚目的成就。隨著光子晶體光纖的理論分析方法趨于成熟,制造工藝日臻完善,新穎結(jié)構(gòu)和特性的光子晶體光纖不斷涌現(xiàn)和產(chǎn)品化,作為光電子功能器件的光子晶體光纖應(yīng)用研究成為熱點(diǎn),特別是基于光子晶體光纖的傳感技術(shù)研究在國際上備受關(guān)注。本文的選題主要來源于國家973項(xiàng)目“基于微結(jié)構(gòu)光纖的光電子功能器件的創(chuàng)新

2、與基礎(chǔ)研究”(編號(hào):2003CB314906)和“基于微結(jié)構(gòu)光纖的新型功能器件、異質(zhì)兼容結(jié)構(gòu)與光電子集成”(編號(hào):2010CB327605)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“全固光子帶隙光纖及全固光子帶隙光纖光柵研究”(編號(hào):10774077)、“基于光子帶隙光纖的可調(diào)諧光電子器件”(編號(hào):50802044)和“基于PPMgL微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)倍頻的超短脈沖全光纖激光光源”(編號(hào):50802044)以及澳大利亞研究委員會(huì)(ARC)開發(fā)類項(xiàng)目“超性能光纖通

3、信器件的開發(fā)和研究”中的內(nèi)容。在對(duì)光子晶體光纖的理論分析方法、各種奇異特性、功能材料選擇性填充光子晶體光纖技術(shù)、聲致光子晶體光纖光柵技術(shù)等內(nèi)容深入研究的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)進(jìn)行了基于光子晶體光纖的新型傳感技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 ⑴基于空芯光子帶隙光纖的F-P干涉型傳感技術(shù)研究。提出并研制了基于空芯光子帶隙光纖的在線F-P干涉型溫度不敏感應(yīng)力傳感器。實(shí)現(xiàn)了傳感器長度僅為0.2 mm,與普通光纖直徑相同,集成

4、度高,且對(duì)彎曲及溫度等環(huán)境因素不敏感,應(yīng)變靈敏度為1.55 pm/με的微型傳感器。提出了基于空芯光子帶隙光纖F-P干涉型傳感器的復(fù)用解調(diào)方案。從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了其多路復(fù)用能力并提供了簡便易行的解調(diào)方法。搭建了空芯光子帶隙光纖應(yīng)力傳感系統(tǒng)。
　　 ⑵聲致光子晶體光纖光柵的電調(diào)諧特性、溫度調(diào)諧特性和折射率調(diào)諧特性研究。在對(duì)填充了液體的固芯光子帶隙光纖中的傳輸模式進(jìn)行詳細(xì)數(shù)值分析和討論的基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)上利用電致聲波在固芯光子帶隙光纖

5、上誘導(dǎo)產(chǎn)生了長周期光纖光柵,并研究其諧振波長和諧振強(qiáng)度的快速電調(diào)諧特性。提出并研制出結(jié)合了聲致光纖光柵快速電調(diào)諧特性,光子帶隙光纖帶隙調(diào)諧特點(diǎn)和帶隙內(nèi)色散特性的高靈敏度折射率傳感器,并進(jìn)行了深入的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究,理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。實(shí)現(xiàn)的傳感技術(shù)指標(biāo):溫度靈敏度6.94 nm/℃,折射率靈敏度1.79×104nm/RIU,探測(cè)極限8.4×10-6 RIU,該技術(shù)指標(biāo)是已報(bào)道的同類傳感器中最高的。
　　 ⑶混合型光傳導(dǎo)

6、雙折射光子晶體光纖及其應(yīng)用研究。利用選擇性填充技術(shù),設(shè)計(jì)并研制出具有獨(dú)特雙折射特性的混合型導(dǎo)光光子晶體光纖,并對(duì)其特性進(jìn)行了深入研究和分析。提出了基于該光纖的Sagnac干涉型濾波器,該濾波器具有干涉條紋波長間隔不同且溫度、折射率等多參量可調(diào)諧的特點(diǎn),有望在多參數(shù)傳感測(cè)量等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
　　 ⑷基于雙物質(zhì)聚合物光子晶體光纖的可調(diào)諧窄帶濾波器和傳感器研究。設(shè)計(jì)并研究了雙物質(zhì)聚合物光子晶體光纖的拉制工藝和傳導(dǎo)特性,并成功拉制出該

7、種光子晶體光纖。通過選擇性填充該聚合物光纖,利用模式諧振耦合原理,實(shí)現(xiàn)了窄帶帶阻濾波器和填充折射率與基底材料折射率極相近的折射率傳感器。根據(jù)聚合物光纖的最佳工作波長,我們?cè)?00 nm處獲得了溫度靈敏度為2 nm/℃,折射率靈敏度為2.81×103 nm/RIU可調(diào)諧窄帶濾波器和傳感器。
　　 ⑸具有特殊性質(zhì)的全固光子晶體光纖的理論設(shè)計(jì)研究。設(shè)計(jì)了包層為方形柵格結(jié)構(gòu)的全固大模場(chǎng)面積光子晶體光纖。結(jié)果表明,相同占空比的方形柵格包層