基于功能材料填充的微結(jié)構(gòu)光纖特性調(diào)控機理及其應(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，實現(xiàn)了對光的局域化和傳播特性的調(diào)控。它獨特的結(jié)構(gòu)和特性大大地擴展了光纖的應(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)為實現(xiàn)光纖與其它材料的有機結(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結(jié)合，進而可以調(diào)控微結(jié)構(gòu)光纖的傳導(dǎo)機制、模式耦合、雙折射、色散等光學(xué)特性，對研究微結(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)光纖對光優(yōu)良的可控特性，又能實現(xiàn)對材料的精確測量和實時操控，從而在生物光子學(xué)、微流動力學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。
　　本文結(jié)合國家973計劃、國家自然科學(xué)基金以及天津市自然科學(xué)基金等重點項目的研究目標(biāo)和內(nèi)容，針對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)用展開了系統(tǒng)深入的理論和

3、實驗研究。論文的主要研究工作和創(chuàng)新性成果如下:
　　1、通過對基于高折射率功能材料填充的光子帶隙光纖的傳導(dǎo)機制、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，實現(xiàn)了較沒有彎曲調(diào)諧時更寬的帶隙調(diào)諧范圍。
　　2、通過對實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32400nm/RIU（-13.1 nm/℃），據(jù)我們所知該值是當(dāng)時報道的光纖傳感器中的最高值。
　　3、通過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F-P干涉峰損耗調(diào)控的特性。
　　利用光子帶隙邊界對溫度的高靈敏度特性，實現(xiàn)了F-P干涉峰的損耗隨溫度-1.94 dB/℃的靈敏度;利用F-P干涉峰對軸向拉力的高敏感特性，實現(xiàn)了3.25nm/N的拉力靈敏度。結(jié)合位于帶隙邊界F-P干涉峰損耗對溫度的高靈敏特性和對軸向拉力的低敏感特性以及帶隙外的F-P干涉峰中心波長對軸向拉力的高靈敏度特性和

6、對溫度的不敏感特性，實現(xiàn)了對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光纖雙折射特性的調(diào)控，實現(xiàn)了具有獨特雙折射特性的微結(jié)構(gòu)光纖。進一步理論分析了該類雙折射光纖實現(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度對Sagnac干涉儀光譜和傳感特性的調(diào)控

7、，在零群雙折射波長附近可以實現(xiàn)很高的傳感靈敏度。
　　5、利用手動選擇性填充法和CO2激光器側(cè)向曝光法，實現(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，實驗研究了其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，以及傳感靈敏度對波長和溫度的強烈依賴性，實現(xiàn)了在56.5℃時高達-45.8 nm/℃（112，531nm/RIU）的溫度（折射率）靈敏度，以及