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新型微结构光纤设计及其应用研究

郑龙  
【摘要】:本论文工作是围绕以下项目展开的:以任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB327600);国家自然科学基金项目(61077049);新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-08-0736);中央高校基本科研业务费专项资金项目(BUPT2009RC0410)和高等学校学科创新引智计划项目(B07005)。 微结构光纤(Microstructured Optical Fibers, MOFs)以其特殊的色散、非线性等特性向人们展示了一个充满想象的应用前景。近年来,关于新型微结构光纤的设计、制备及其应用已成为研究热点。本论文主要围绕应用于表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感器和1.55微米波段宽带、平坦超连续谱产生的两种新型微结构光纤展开了理论和实验研究,主要成果如下: 1.利用有限元法(Finite Element Method, FEM),理论分析了微结构光纤的结构参数及金属纳米层等对表面等离子体共振传感器性能的影响,使用Drude-Lorentz模型来精确描述金属的介电常数。给出了两种新型基于微结构光纤的表面等离子体共振传感器的设计方案。 (1)基于含银纳米层的微结构光纤表面等离子体共振传感器。分析结果表明:含银纳米层的SPR传感器的探测灵敏度可以达到1167nm/RIU,相应的探测极限是8.57×10-5RIU,性能明显优于传统的含金纳米层的SPR传感器。此外,与含金纳米层的SPR传感器相比,含银纳米层的SPR传感器具有更高的信噪比和Q值。此结论对基于微结构光纤的SPR传感器的研究具有一定的指导意义。 (2)基于含金纳米层的六大孔微结构光纤表面等离子体共振传感器。该表面等离子体共振传感器的探测灵敏度可达1200nm/RIU,探测极限可达8.33×10-5RIU。 2.对基于微结构光纤的纳米功能材料组装进行了实验研究。在微结构光纤空气孔中尝试填充了纳米线和金溶胶颗粒等功能材料。通过对微结构光纤样品进行扫描电镜测试可知,功能材料已经填充进入了微结构光纤的空气孔中。此外,还采用一种新颖的水浴加热还原银氨溶液进行银沉积的方法,成功将银沉积在微结构光纤空气孔的内壁上。 3.利用有限差分波束传播法(finite-difference beam propogation method,FD-BPM),设计了一种可用于1.55μm波段宽带、平坦的超连续谱产生的色散平坦、高非线性、低限制损耗微结构光纤。优化后的光纤的特性为:在1.375~1.625μm波长范围内的色散值为-1.65~-0.335ps/nm/km;在1550nm波长的非线性系数为33.8 W-1km-1;限制损耗在10-4 dB/km的量级。所设计光纤还具有结构参数少、且孔径与孔间距之比适中等优点。 利用分布傅立叶方法求解非线性薛定谔方程,对在上述微结构光纤中产生的超连续谱进行了理论分析,结果表明:当半高全宽为1.6ps、峰值功率为43.8W的泵浦光脉冲通过80m长的微结构光纤传输后,可在1.55μm波段产生-3dB带宽为125nm(1496nm~1621nm)的平坦超连续谱。此外,还对超连续谱的幅度噪声特性及微结构光纤空气孔直径的不均匀性进行了讨论。


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