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用电子辐照光纤改性方法制备长周期光纤光栅的理论研究

张国生  
【摘要】: 电子辐照技术在材料改性方面具有广泛的应用。目前其在制作平面光波导、低带间串扰光波分复用器等光学器件方面也已经有初步的应用。考虑到目前常用的制备长周期光纤光栅的方法各自都有些局限性,特别是不利于大规模批量生产,本文基于利用电子辐照可使二氧化硅改性的原理,首次提出了通过电子辐照对二氧化硅光纤改性来制作长周期光纤光栅的学术思想,以期寻求一种在保证质量条件下可大规模工业化生产光纤光栅的方式。 论文综述了电子辐照对二氧化硅平板材料改性的理论和实验研究进展,介绍了电子辐照对SiO_2产生改性作用的机理,使样品中产生原子错位的电子能量阈值、电子辐照深度的计算方法,分析了不同能量电子辐照产生折射率变化的原因以及电子辐照导致SiO_2折射率变化的计算及测量方法。 在此基础上,论文用把二氧化硅分子等价成一个原子的方法建立了用电子辐照二氧化硅光纤情形下的物理模型;给出了电子在光纤中辐照深度的计算方法;基于蒙特卡罗方法计算了1Mev的电子辐照二氧化硅时的能量沉积,它包括碰撞和韧致辐射导致能量的沉积两项,分别给出了软件模拟,并且给出了在计算能量沉积过程中所需要的众多函数,描述出了电子辐照时的物理过程。理论计算结果表明使能量沉积率在光纤纤芯最大的辐照电子能量为0.4474MeV。 考虑到通过电子辐照对二氧化硅光纤改性来制作长周期光纤光栅的过程中,必须解决光栅掩模板设计问题需要的理论支持,论文分析了占空比对光栅光谱的影响,计算了光纤前20个一阶包层模式有效折射率并分析了其耦合常数变化规律,分析了谐波光栅谐振波长随折射率调制量增加的漂移规律,给出制作无额外谐振光栅或传感用光栅对光栅占空比的设计要求,指出利用电子辐照对二氧化硅光纤改性的方法制作长周期光纤光栅所用的光栅掩模板占空比不能为0.5。 本论文的研究结果可为利用电子辐照使光纤改性的方法制作长周期光纤光栅这一课题的进一步研究提供理论依据和参考。


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