飞秒激光制备光纤耦合波导传感器

【摘要】：光纤传感器已经广泛应用于物理、生物以及化学量的测量。为了使光纤器件具有更小的尺寸,在光纤包层中集成更多的波导成为近年来的研究热点。本论文主要针对光纤集成耦合波导传感器和飞秒激光直写光波导技术进行研究。主要内容如下:1.介绍了飞秒激光直写光波导技术的发展、基于激光波导直写技术的器件制备及其应用,综述了光纤耦合波导器件的制备以及其近年来在传感领域的应用。介绍了飞秒激光与透明物质的非线性作用、详细介绍了在高重复频率激光作用下的热累积效应以及平行波导之间的耦合模理论。2.探索、优化了低重复频率脉冲激光(1kHz和200kHz)在光纤内直写的光波导性能,实现了光在激光波导中的低损耗传输1.2d B/cm。对在紧聚焦物镜作用下得到的飞秒激光波导截面的折射率分布进行了分析,正折射率调制高达0.010,负折射率调制高达0.025。研究了激光波导的近场模场特性进行以及布拉格光栅波导的写制。3.提出、设计并制备了单模光纤耦合布拉格光栅波导传感器。优化了布拉格光栅波导的写制参数,在单模光纤内制备X型耦合器,成功将光从光纤轴心耦合到邻近光纤表面。写制布拉格光栅波导,成功将传感器应用于周围介质折射率的测量,并分析了光纤表面波导的偏振特性、温度传感特性。4.提出、设计并制备了光子晶体光纤耦合波导传感器。介绍了飞秒激光辅助的选择性填充技术,从特种光纤的熔接,到光纤精密切割,再到飞秒激光选择性开孔。光子晶体光纤耦合波导传感器中支持多个模式的传输,同时集成了液体-固体耦合波导和多模干涉仪,成功应用于温度-应变的同时测量,温度和应变的灵敏度分别高达14.73nm/℃和12.01pm/με。运用有限元分析法对混合型耦合波导进行仿真建模,计算材料的色散曲线,分析混合型耦合波导的传输模式,研究液体波导与固体波导的相位匹配条件以及计算混合耦合波导的理论温度灵敏度。仿真结果表明,光子晶体光纤耦合波导传感器的温度灵敏度为14nm/℃,与实验结果具有非常高的吻合度。5.提出、设计并制备了空芯光纤耦合波导传感器,在空芯光纤内写制激光波导并利用飞秒激光烧蚀在光纤上构建微流通道对,实现了对分析液折射率的实时测量。研究了传感器的折射率响应特性,其折射率灵敏度高达-112743 nm/RIU。理论上,运用基于有限元方法的仿真,计算得到传感器的折射率灵敏度为-108016nm/RIU,与实验中得到的灵敏度具有非常高的吻合度。