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《中国科学技术大学》 2013年
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长周期手征光栅及其在光纤传感和光轨道角动量调制中应用的研究

许华醒  
【摘要】:手征光纤光栅是一种新型的光波导结构,它是通过熔融条件下高速扭转截面非圆对称光纤制作而成的。该结构沿纵向和角向都存在周期性的折射率调制,且结构特性与其扭转旋向相关,故被称为手征光纤光栅。这种光栅因具有偏振选择和波长选择的双重特性,自2003年提出以来就备受关注。它在圆起偏、滤波、传感(尤其是高温和恶劣环境下的传感)等方面均有重要应用,目前正逐步商业化。 本文对长周期手征光栅的特性及应用作了系统而深入的研究,主要包括建立了N螺旋长周期手征光栅统一的耦合模分析模型,给出模式耦合的相位和角向匹配条件;以实现手征光栅为目的,研究了特种光纤的双折射特性;分析了单/双螺旋长周期手征光栅中模式的耦合特性,着重讨论了模式耦合的模式选择机制和偏振选择特性;并分别研究了长周期手征光栅在多参量传感和光轨道角动量调制中的应用,取得了若干具有创新性的成果。本文的主要内容总结如下: 根据传统耦合模理论,从圆偏振模出发,建立了分析截面具有N阶旋转对称的长周期手征光栅的统一理论模型,给出了模式耦合的相位匹配和角向匹配条件。为了解特种光纤特性对实现手征光栅的影响,分析了多应力区光纤和截面几何扰动光纤等特种光纤的双折射等特性。分析表明,当应力区沿包层角向均匀分布时,两个应力区在纤芯的双折射是单个应力区的两倍;应力区数目大于等于3个时,纤芯介电常数分布是均匀各向同性的。对几何截面具有N阶旋转对称性的光纤,给出了判断模式是否存在双折射的依据;当N≥3时,纤芯基模没有双折射,高阶模式的一对奇偶模可能存在双折射。此外,作为理论分析和模拟计算的基础,给出了双包层阶跃光纤包层混合模HE/EH模式、TEITM模式的本征方程、场分布和归一化功率的详细解析表达式。 分析了单螺旋和双螺旋长周期手征光栅模式耦合的选择特性。分析发现,对右手单、双螺旋长周期手征光栅,当左、右旋的圆偏振芯层模与一对弱导近似下简并的包层模同时发生耦合时,光栅中没有圆偏振选择特性;而仅右旋或仅左旋的芯层模与特定的包层模发生耦合时,光栅具有左旋或右旋的圆偏振选择特性。同时,以椭圆芯光纤和熊猫光纤长周期手征光栅为例,对几何型和应力型双螺旋长周期结构中模式耦合情况进行了详细理论分析和数值模拟,并对二者的特性进行了对比。另外,从模式的角向对称性和手征光栅截面的离散旋转对称性角度,给出了长周期手征光栅模式耦合中偏振选择的物理解释。 分别以偏芯单螺旋和椭圆芯双螺旋长周期手征光栅为例,分析了长周期手征光栅对温度和应变的传感特性。分析中,分别考虑了基于石英以及聚合物两种材料的结构,并对比了它们的传感灵敏度,分析表明,由于聚合物材料相比石英材料具有更高的热光系数和更小的杨氏模量,聚合物光栅的灵敏度优于石英光栅。此外,基于椭圆芯长周期手征光栅中左、右旋芯层模与一对简并的包层模的偏振选择耦合特性,设计了一种新型的同时测量温度和应变的传感方式。同时,详细讨论了偏芯长周期手征光栅在多参量传感中的应用。并针对传感应用,设计了一种基于偏光双折射材料且无需熔融条件的手征光栅制作方案。 研究了长周期手征光栅模式耦合的轨道角动量转换规则,以及自旋角动量、轨道角动量以及光栅的相互作用。研究发现,对单螺旋长周期手征光栅,可产生轨道角动量为±h和±3h的模式。对N(N≥2)螺旋长周期手征光栅,可产生轨道角动量为+Nh和±(±N±2)h的模式。特别地,对双螺旋长周期手征光栅,可产生轨道角动量±2h和±4h的模式。在此基础上,基于右手螺旋椭圆芯长周期手征光栅,设计了几种轨道角动量调制器件,包括在两个波长处实现轨道角动量分别为+2h和+4h的调制器,以及轨道角动量为+2h的宽带调制器。最后,利用声涡旋-光涡旋角动量转换模型,将长周期手征光栅看作声涡旋,给出长周期手征光栅模式耦合中角动量转换的物理图像。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN253

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