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功能聚合物光纤器件研究

邱薇薇  
【摘要】:光纤器件经过几十年的发展,种类越来越多,已经成为一个独特的门类,被广泛应用在光纤通信领域和传感领域。随着社会的发展,信息需求的增长对光纤器件的功能和性能都提出了更高的要求。聚合物材料具有易加工成型、光学性质优异、成本低等优点,还由于特殊的结构和多功能的侧链,使得它在集成光学、非线性光学、可调激光器、传感器等领域都显示出诱人的前景。因此基于有机聚合物光学材料的光纤功能器件研究,近年来一直受到人们的极大关注。本论文以有机聚合物光纤功能器件为研究对象,从材料特性出发,系统研究了纤芯掺杂稀土聚合物的光纤光放大器、偶氮苯石英复合光纤幅度/偏振调制器和聚合物光纤光栅的特性。具体内容如下: 使用向空芯石英光纤中灌入稀土掺杂溶液的方法制备了掺杂Eu(TTA)3Phen的液芯光纤,并且研究了Eu(TTA)3Phen掺杂的溶液和光纤的吸收光谱和发射光谱。得到螯合物Eu(TTA)3Phen的荧光寿命为0.543ms,在355nm波长处存在强烈吸收,而在613nm处的荧光发射峰最强。通过对铕离子掺杂的光纤放大特性进行理论模拟,结果显示液芯光纤放大器的最佳增益长度比石英光纤放大器的长度小了近两个数量级,这个结论为制作稀土掺杂的液芯光纤放大器提供了理论依据。从理论上分析稀土掺杂浓度,光纤结构参数,稀土材料特性对稀土掺杂的液芯光纤的放大性能的影响,为设计和制作高性能的液芯光纤放大器提供指导。随后我们对制作的液芯光纤的光放大特性进行了测试,当掺杂浓度为0.8wt.%,泵浦功率为203mW时,Eu(TTA)3Phen掺杂的液芯光纤在长度为8.1cm处对613nm的信号光实现了8.2dB的增益。 制作了偶氮苯聚合物作为包层,腐蚀后的石英作为纤芯的复合光纤。理论分析了光纤结构参数及聚合物涂覆层材料特性对复合光纤传输特性的影响,在此基础上设计合适的光纤结构参数,并提出对聚合物材料特性的要求。分别引入氟代偶氮苯聚合物和含聚倍半硅氧烷(POSS)偶氮苯聚合物作为石英光纤涂覆层,基于偶氮苯聚合物的光致折射率变化和光致双折射特性,通过外部光照实现了对光纤和偏振态的动态调制。实验结果证明了调制可逆,且重复性良好。含POSS的偶氮苯聚合物-石英复合光纤在435nm的0°偏振光照下相位变化达到了360°,可实现极大范围的偏振调制。利用这种偶氮苯聚合物-石英复合光纤构造新型的全光纤器件和多功能光纤器件为研究开发提供了一种新的有效途径。 采用改进的基于Sagnec干涉技术的方法在纤芯掺杂光敏材料安息香二甲醚(BDK)的少模聚合物光纤上刻写Bragg光栅。利用耦合模理论对少模聚合物光纤的传输模式以及少模聚合物光纤Bragg光栅各阶模式的应变响应特性和温度响应特性进行了分析。由于石英光纤纤芯和包层材料的热光系数几乎相同,聚合物光纤纤芯和包层材料热光系数相差较大,少模石英光纤Bragg光栅各阶模式具有几乎相同的温度响应系数和应变响应系数,少模聚合物光纤Bragg光栅各阶模式具有相似的应变响应特性,但是不同的温度响应特性。在此基础上提出了利用单根少模聚合物光纤Bragg光栅的不同模式实现温度和应变效应同时传感的方法。最后利用实际制作的纤芯掺杂BDK光敏材料的少模光纤Bragg光栅进行了应变与温度双参量同时传感的实验验证。实验测得的光栅各阶模式的温度灵敏度分别为-98pm/℃、-103pm/℃、-105pm/℃和-11lpm/℃,应变灵敏度分别为1.193pm/με、1.189pm/με、1.186pm/με和1.163pm/με并且根据理论分析的结果,通过制作纤芯和包层材料的热光系数差别很大的少模光纤Bragg光栅,该多参量传感器的性能可以进一步提高。


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