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手性光学波导元件及其材料研究

陶卫东  
【摘要】:近年来,手征介质材料中电磁波传输研究成为国内外一个新的热点。有关研究表明,由于波导中添加的手征介质对波的传播特性产生的影响,类似于各向异性材料的作用结果,其本构关系中电场和磁场是交叉耦合的,在其中能传播具有不同传播速度的左旋和右旋电磁波,因此,手征波导具有许多特有的性质,根据这些效应,完全有可能研制出许多新器件,例如消偏振器、极化仪、双讯器、传感器、新型开关及调制器等。本课题旨在对手性光学波导元件及其材料进行研究。 在实验研究方面,主要完成以下几方面的研究工作: 研制出含手性分子葡萄糖和灰黄霉素的硅基溶胶—凝胶材料,发现无论是在液态的溶胶,还是在固态的凝胶,它们均表现出相似的光学活性。 研制出含手性分子灰黄霉素的PMMA溶胶—凝胶材料,发现也能得到上述类似的光学活性结果。通过傅立叶红外谱进行测试发现,手性分子填充于凝胶基质的介质孔中,而并未与基质成键。 研制出含微米手性晶粒的凝胶玻璃,发现其表现出消偏振的效应。而将微米手性晶粒替换成同样尺寸粒径的玻璃粉体,以同样方法制成的相同厚度的含微米玻璃粉体的凝胶玻璃,却表现出线偏振保持的性能。 采用标准水溶液法生长出各向同性的手性氯酸钠微小品粒,并采用溶胶—凝胶法获得含手性氯酸钠晶粒的凝胶材料,发现氯酸钠可与溶胶—凝胶体系构成有旋光特征的手征材料。首次从实验上证实,在紫外区域,氯酸钠晶体在各个方向上均表现出相同的圆二色性:在可见光区域,氯酸钠晶体在各个方向上均表现出相同的旋光色散特性,这一现象与另外一种手性晶体水晶显然是不同的。 研制出固体手性圆波导,通过对手性圆波导和非手性圆波导的偏振特性进行测试,并与块状手性材料进行比较,发现固体手性圆波导具有特有的光学偏振特性。 为实现上述材料的特性测量,自行试制了一套偏振特性测量装置、一套以超高亮度LED为光源的四波段旋光色散仪以及一套基于光栅光谱仪的旋光色散装置,获得的测量结果具有较高的精度,较好的重复性、稳定性。 在理论研究方面,主要完成以下几方面的研究工作: 研究了纤芯和内外包层都有手征的双包层手征光纤中的半漏模,发现双包层手征光纤中的半漏模特性与单包层手征光纤中的相比有很大不同。当只有包层中有手征时,单包层手征光纤中也存在半漏模。 研究了双包层手征光纤纤芯和内外包层的手征参数及内包层厚度对模式色散特性的影响,发现在双包层光纤的纤芯和内外包层中引入手征,可以极大地改变光纤中基模的色散特性,特别是内包层厚度不同时,色散特性也极为不同。


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