基于功能材料填充的微結(jié)構(gòu)光纖特性調(diào)控機(jī)理及其應(yīng)用研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)光纖將光子晶體微結(jié)構(gòu)引入到光纖截面中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的局域化和傳播特性的調(diào)控。它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和特性大大地?cái)U(kuò)展了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域，引起了科學(xué)界研究者的極大青睞。微結(jié)構(gòu)光纖中微納尺度的空氣孔結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)光纖與其它材料的有機(jī)結(jié)合提供了條件。將具有特殊光、電、磁、熱等特性的功能材料填充入微結(jié)構(gòu)光纖中，實(shí)現(xiàn)了光纖優(yōu)異的導(dǎo)光特性和填充材料特殊的物理性能有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而可以調(diào)控微結(jié)構(gòu)光纖的傳導(dǎo)機(jī)制、模式耦合、雙折射、色散等光學(xué)特性，對(duì)研究微結(jié)構(gòu)光纖中光與填

2、充物質(zhì)的相互作用規(guī)律以及研制高性能可調(diào)控的光纖通信和傳感器件具有重要意義。而且借助微結(jié)構(gòu)光纖對(duì)光優(yōu)良的可控特性，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的精確測(cè)量和實(shí)時(shí)操控，從而在生物光子學(xué)、微流動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。
　　本文結(jié)合國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及天津市自然科學(xué)基金等重點(diǎn)項(xiàng)目的研究目標(biāo)和內(nèi)容，針對(duì)基于高折射率功能材料填充的微結(jié)構(gòu)光纖的傳導(dǎo)機(jī)制、模式控制、可調(diào)諧特性以及其在可調(diào)諧功能器件和傳感方面的應(yīng)用展開(kāi)了系統(tǒng)深入的理論和

3、實(shí)驗(yàn)研究。論文的主要研究工作和創(chuàng)新性成果如下:
　　1、通過(guò)對(duì)基于高折射率功能材料填充的光子帶隙光纖的傳導(dǎo)機(jī)制、溫度和彎曲特性的理論研究，揭示了光子帶隙的彎曲和溫度可調(diào)諧特性以及彎曲調(diào)諧特性的溫度依賴性，提出將彎曲和溫度調(diào)控共同作用于功能材料填充的光子帶隙光纖中，實(shí)現(xiàn)了較沒(méi)有彎曲調(diào)諧時(shí)更寬的帶隙調(diào)諧范圍。
　　2、通過(guò)對(duì)實(shí)施彎曲的高折射率功能材料填充的光子帶隙光纖的模式分布和模式耦合特性的理論研究，揭示了功能材料填充的光子帶

4、隙光纖中彎曲導(dǎo)致纖芯模式與高折射率柱模式耦合的避免相交效應(yīng)。利用該效應(yīng)在光子帶隙光纖傳輸窗口中間產(chǎn)生窄帶諧振峰，實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度折射率（溫度）光子帶隙光纖傳感器，獲得的傳感靈敏度高達(dá)32400nm/RIU（-13.1 nm/℃），據(jù)我們所知該值是當(dāng)時(shí)報(bào)道的光纖傳感器中的最高值。
　　3、通過(guò)控制高折射率功能材料填充的光子帶隙光纖和單模光纖熔接時(shí)的參數(shù)，在熔接處制作了寬度18μm，高度40μm的微型空氣腔F-P干涉儀，巧妙利用光纖環(huán)

5、路結(jié)構(gòu)將材料填充的光子帶隙光纖的透射譜和微型空氣腔F-P干涉儀的反射譜相結(jié)合，揭示了光子帶隙對(duì)F-P干涉峰損耗調(diào)控的特性。
　　利用光子帶隙邊界對(duì)溫度的高靈敏度特性，實(shí)現(xiàn)了F-P干涉峰的損耗隨溫度-1.94 dB/℃的靈敏度;利用F-P干涉峰對(duì)軸向拉力的高敏感特性，實(shí)現(xiàn)了3.25nm/N的拉力靈敏度。結(jié)合位于帶隙邊界F-P干涉峰損耗對(duì)溫度的高靈敏特性和對(duì)軸向拉力的低敏感特性以及帶隙外的F-P干涉峰中心波長(zhǎng)對(duì)軸向拉力的高靈敏度特性和

6、對(duì)溫度的不敏感特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和軸向拉力的雙參量傳感。
　　4、理論分析了選擇性填充不同折射率的高折射率功能材料以及不同的選擇性填充結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖的模式耦合特性及模式雙折射特性，揭示了纖芯模式與高折射率柱模式的耦合特性對(duì)光纖雙折射特性的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了具有獨(dú)特雙折射特性的微結(jié)構(gòu)光纖。進(jìn)一步理論分析了該類雙折射光纖實(shí)現(xiàn)的Sagnac干涉儀的光譜和傳感特性，揭示了光纖的群雙折射特性和傳感光纖長(zhǎng)度對(duì)Sagnac干涉儀光譜和傳感特性的調(diào)控

7、，在零群雙折射波長(zhǎng)附近可以實(shí)現(xiàn)很高的傳感靈敏度。
　　5、利用手動(dòng)選擇性填充法和CO2激光器側(cè)向曝光法，實(shí)現(xiàn)了不同選擇性填充結(jié)構(gòu)的高折射率功能材料填充的微結(jié)構(gòu)光纖，實(shí)驗(yàn)研究了其Sagnac干涉儀傳輸光譜和傳感特性，揭示了具有不同群雙折射特性的微結(jié)構(gòu)光纖Sagnac干涉儀不同的光譜和傳感特性，以及傳感靈敏度對(duì)波長(zhǎng)和溫度的強(qiáng)烈依賴性，實(shí)現(xiàn)了在56.5℃時(shí)高達(dá)-45.8 nm/℃（112，531nm/RIU）的溫度（折射率）靈敏度，以及