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《吉林大学》 2012年
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聚合物光纤光栅结构的飞秒激光制备

鞠忠凯  
【摘要】:聚合物光纤这种新型光纤具有质轻柔软,韧性好,耐用性好,高带宽,灵敏度高等众多优点,有着良好的应用前景。光纤光栅是一种能够实现很多传感及通信功能应用的光子学器件,以周期性折射率调制结构,实现反射或透射特性等。在聚合物光纤中实现光栅结构对通信和传感领域都有着重大的价值和意义。传统的光栅制备依赖紫外激光技术普通,刻写的光纤光栅有折射率修改量不高,修改效果稳定性不好,依赖光纤光敏特性等很多局限性,而结合了飞秒激光技术的光栅制备方法,比普通紫外激光刻写有了很多优势,依靠飞秒激光的能量强度突破了紫外激光技术依赖光纤光敏性的限制,并且对折射率修改量有了很大提高,缩短了制作器件需要的曝光时间。 研究了光波导理论和耦合模理论,对光纤光栅的原理以及其作用进行了详细研究,明确了我们需要实现的修改结构。学习了目前紫外激光技术制备光纤光栅的各种方法和制作机理,考虑各方法是否可以结合飞秒激光技术,分析了结合飞秒激光技术后的可行性程度和可能的优劣情况,以及会带来的问题。大致确定了几个可行的飞秒激光技术制备聚合物光纤光栅的方法:(1)飞秒激光相位掩模法,可用于制作Bragg光栅,(2)飞秒激光振幅掩模法,可用于制作长周期光栅,(3)飞秒激光直写法,制作Bragg光栅和长周期光栅都可使用。 研究飞秒激光的特点,学习飞秒激光对透明材料材料的作用原理,对光纤诱导折射率变化的机制主要为非线性吸收和非线性光致电离效应,认为引起的效果主要通过是多光子吸收及多光子离子化效应实现的。结合聚合物材料特性和研究激光对聚合物材料作用的相关文献,对飞秒激光对聚合物材料的作用机理进行了分析与研究,认为通常是一个两光子吸收的过程,并实现聚合物材料的解聚和交联变化,使C=C键和尾端基团增加,产生折射率增加的效果,并在过程中伴随有一定程度的热效应。 简单介绍了聚合物光纤的种类和主要参数情况,总结了目前的各种聚合物光纤切割技术与端面处理的方法,并根据我们的具体情况与需要选择了直接切割与端面研磨的处理方法。还对聚合物光纤做了一些腐蚀处理的尝试,采用丙酮溶液溶解有机材料实现了对几种聚合物光纤腐蚀变细的效果,实验了直径变细尺寸与腐蚀时间的关系,确定了腐蚀速度情况。具体说明了实际实验中聚合物光纤接头的整个制作过程。基本能实现与石英光纤的简单对接,使聚合物光纤基本可以适用于光谱测量系统,接头状况和损耗情况可以达到实验要求和并可以达到实际应用的程度,对后续研究和应用有所帮助。 研究并实现了飞秒激光制作聚合物光纤光栅结构的实验方法。具体研究了以飞秒激光相位掩模法,由定点曝光和扫描曝光两种方式实现了效果良好结构均匀的光栅结构,折射率变化较高,修改清晰可辨,制作了周期1.665μm的Bragg光栅结构。总结了激光能量,曝光时间等各种条件对修改效果和制作光栅结构的影响情况和基本规律,并具体实验研究了定点曝光法曝光时间与产生的光栅结构宽度的关系,扫描曝光法不同激光能量能实现的修改效果的情况,以及不同激光能量实现的光栅x轴方向深度的关系。还研究了飞秒激光直写法的实验条件与修改效果,有空气中与浸油中两种方式,在空气中出现了有沿y轴扩散的修改效果,分析是光纤形状和界面的聚焦效果影响,得到的是线修改效果,可以通过浸油消除界面效应,得到点修改的效果,最终能实现5-60μm的线修改效果,和1μm的点修改效果。研究了不同直径尺寸光纤出现修改效果所需要的对应的能量条件的变化,以及不同激光能量和不同激光重复频率与线修改宽度的关系,对浸油中飞秒直写法点修改效果制作Bragg光栅结构,和空气中飞秒直写法线形修改效果制作长周期光栅结构进行了初步尝试。我们的工作所能获得的聚合物光纤光栅结构,在飞秒激光制作聚合物光纤光栅方向的研究上,是相当优异的成果,而且有更多制备方法和效果的尝试,为聚合物光纤光栅制备方法的研究开拓了道路。 对制作的聚合物光纤光栅结构进行了通光测试和光谱检测,通光上可以看到结构有对光的作用效果,光谱的检测效果不是很理想,认为原因可能是,(1)多模光纤分配到各模式能量较低,(2)材料的损耗和光纤制作工艺产生的缺陷,直径尺寸的误差等带来的噪音,(3)光栅周期性结构修改效果的一致性还不是足够好,(4)测试和测试时一些温度湿度弯曲等变化影响,所以得到的光谱结果上遇到了不能准确认定光栅结构对应的谐振峰的问题。对于光谱测试工作,各种传感测量,以及对飞秒激光制作的光纤光栅结构光谱特性的试验,还有待后续研究工作。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN253

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