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嵌入式微结构光纤理论分析和实验研究

刘晓颀  
【摘要】:光子晶体光纤又称为微结构光纤,由于其制作方法多样,结构设计灵活,具有特殊光学性质,是目前研究的最为广泛的一种光纤。由于微结构光纤的包层中有许多空气孔,通过改变其包层空气孔排布,尤其是纤芯周围空气孔的结构,或对包层中某些空气进行填充可以改变光纤固有的性质,制成具有特殊功能和结构的微结构光纤。本文设计并制作了几种不同结构的嵌入式微结构光纤:设计并通过理论分析了不同包层排布和芯区结构的光子晶体光纤,对光纤性质进行分析;通过外部条件的改变对嵌入式液晶光子晶体光纤的性质进行调节;提出了一种新型测试疏水微结构聚合物材料光纤灵敏度的方法,通过实验和仿真对该种微结构聚合物光纤的性质进行了测试和分析。本文主要的研究内容包括:1.基于有限元方法,开展了对特殊包层结构光子晶体光纤的分析。设计了两种具有特殊结构的光子晶体光纤。第一种是具有高非线性特性的圆环包层光子晶体光纤;第二种是一种包层为方形排布的光子晶体光纤,其同时具有高双折射特性和色散平坦特性。2.开展了对嵌入式光子晶体光纤的建模和理论分析。设计了一种嵌入式光子晶体光纤模式转换器,在纤芯区嵌入高折射率的纤芯制成模式转换器并对其结构进行了优化,得到了不同波长下模式转换器的最优结构;通过理论仿真和计算,对不同结构下液晶光子晶体光纤单模的传输特性进行了计算;在此基础上,设计了一种六液晶芯分束器。3.开展了对液晶填充光子晶体光纤的研究。重点研究了加热区域和不同填充比例对输出光场和光纤带隙的影响,并通过调节外界温度来改变液晶折射率,进而调整光纤输出光场。通过改变外部的温度,对液晶的折射率进行调节,进而改变液晶光子晶体光纤光出射的位置、出射光强弱和出射光谱,并分析了加热区域的不同对液晶光子晶体光纤光学性质的影响;设计并制作了不同填充比例的液晶光子晶体光纤。利用液晶的折射率随温度和波长变化的特性,分别将液晶填充到光子晶体光纤的包层中全部、一半和四分之一的空气孔中。通过实验和理论分析了不同填充比例的液晶光子晶体光纤带隙的分布,观察了不同温度下带隙分布的改变,出射光谱随温度的移动和出射光场强度随温度的变化。4.提出了 一种测试疏水材料聚甲基丙烯酸甲酯polymethylmethacrylate(PMMA)和聚碳酸酯(Polycarbonate PC)制成的微结构光纤生物传感器敏感性的方法。通过该方法不仅可以将折射率接近于水液体注入到疏水材料中,同时实现了液体的非接触式泵入,在此过程中聚合物光纤的位置不发生改变,可以在同一根光纤中实现对多种样本进行测试,最大限度地减小外界环境因素和光纤本身对实验结果的影响。通过实验得到该种光纤生物传感器的灵敏度,并和仿真结果相吻合。本论文的主要创新点如下:1.设计了具有高非线性的圆环包层光子晶体光纤,相比于标准结构圆环包层光子晶体光纤,其非线性系数显著提高,色散零点也向短波方向移动;通过改变纤芯区域的空气孔排布,设计了一种同时具有色散平坦和高双折射特性的方形排布光子晶体光纤。2.设计了嵌入式光子晶体光纤模式转换器,通过仿真优化其结构,设计并实现了在短波长0.65 m和长波长1.65 m下的模式转换器。3.设计并制作了选择性填充的液晶光子晶体光纤,通过控制温度调节液晶的折射率,实现有效控制光纤中输出光的位置,控制输出光谱的形状、移动范围和带隙的分布等。4.设计了对于疏水结构聚合物微结构光纤敏感性测试的方法。利用透射式光路实现对该种聚合物微结构光纤敏感性的非接触无损测试,理论结果和实验结果得到很好的吻合。


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