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闪耀光纤光栅复模理论和半导体激光器线阵光纤束耦合技术研究

陆玉春  
【摘要】: 基于闪耀光纤布拉格光栅的折射率传感器具有体积小、对被测量环境的影响小的优势,还可以实现远程测量,具有实现分布式的多点传感网络的潜力,在环境监控、工业过程监控、化学、生物以及生物医疗等领域有广泛的应用前景。然而闪耀光纤光栅的理论发展却相对滞后,严重制约了人们对闪耀光纤光栅的认知,限制了相关器件的实用化。大功率光纤激光源具有结构紧凑、散热好和输出光束质量高等优点,在国防、工业和医疗等领域有着广泛的应用。然而其泵浦耦合是限制其输出功率提高的重要因素。目前采用的大功率半导体激光器泵浦源的输出光束有着诸多不理想特性,因此对该泵浦源的输出光束进行准直、整形、聚焦最终完成光纤耦合输出对于大功率光纤激光器的实现十分重要。本论文针对上述问题,对闪耀光纤光栅复模理论、基于闪耀光纤布拉格光栅折射率传感器、半导体激光器线阵的光纤束耦合技术进行了系统深入的研究。取得的主要创新成果如下: 1.提出了一种改进的基于有限差分的光纤全矢量复域解模算法。该算法采用了严格的界面边界条件和完全匹配层技术,在计算精度、收敛速度、自恰性等方面与传统算法相比有显著提高;可以准确高效地分析光纤的全矢量导模和泄漏模特性。该算法提供了一个开放波导模型,其中的连续辐射模可以由离散的复模(准泄漏模)近似,从而极大地简化辐射模耦合的分析。该开放波导模型是闪耀光纤光栅复模理论的基础。 2.首次提出并建立了完善的闪耀光纤光栅全矢量复模理论(包括光纤光栅全矢量复模匹配法和闪耀光纤光栅全矢量复耦合模理论)。该理论基于光纤全矢量复域解模算法提供的开放波导模型,统一了光纤光栅中离散导模和连续辐射模在模耦合问题上的处理方法,从而极大地简化辐射模耦合的分析。该理论可以全面地分析光纤光栅(含闪耀光纤光栅)中,光纤外包层折射率小于、等于、大于内包层折射率时,芯模到包层导模和辐射模复杂的耦合问题。 3.首次研究了模式损耗对光栅辅助表面等离子体(SPP)折射率传感器可行性的影响。结果表明:为了实现芯模与SPP模的有效耦合,光纤光栅的长度应小于或可比于SPP模的传输距离。同时给出了一般性的结论:在波导光栅中为了实现有效的模间耦合,光栅的长度受限于损耗最大模式的传输距离,光栅长度应小于或可比于该模式的传输距离。 4.首次系统地研究了基于闪耀光纤布拉格光栅(TFBG)的折射率传感器的特性。着重分析了TFBG的偏振依赖特性并研究了其对TFBG折射率传感器性能的影响。给出了减小TFBG偏振依赖效应对传感器性能影响的途径。提出了一种检测TFBG截止波长(正面临截止的包层导模谐振峰的谐振波长)的方法。利用TFBG的截止波长可以在0.1范围内实现灵敏度为500nm/u.r.i,分辨率为10-3,对纤芯中传导光偏振不敏感的折射率测量;通过检测包层导模谐振峰的谐振波长在0.001范围内可以实现分辨率为2.5×10-5的折射率测量。 5.对半导体激光器线阵(LDA)的光纤束耦合技术进行了实验研究。制作了石英锥阵列并利用它对快轴准直的半导体激光器线阵输出光束进行耦合。给出了一种利用裸光纤作为探头扫描测量半导体激光器线阵输出光束强度分布的方法。研究了利用光刻技术在石英片上制作用于LDA光纤束耦合的V形槽阵列的工艺。该研究工作为制作结构简单、低成本的半导体激光器线阵光纤束耦合器件提供了方法。


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