光纖像切分器相關器件的設計與研究.pdf

1、天文光子學是天文學與光子學的交叉學科，研究目的是將光技術應用于天文觀測中。光譜觀測是天文觀測的重要手段之一，高分辨率光譜儀不可或缺。隨著光譜儀分辨率不斷提高，入射光信號的利用率卻不斷下降。像切分器作為一種光學器件為提高光效率發(fā)揮了重要的作用，它將天文望遠鏡采集到的星像切分成幾份，然后輸入到光譜儀的狹縫中，有效的提高了光信號的利用率。傳統(tǒng)的像切分器由透鏡組和反射鏡組制成，對各部件的加工精度要求較高，而且結構復雜，體積偏大，不易安裝。光纖作

2、為一種新型的光傳輸媒介被提出后，以其獨特的性能受到各界研究人員的青睞，也為像切分器開拓了新的發(fā)展空間。光纖型像切分器不僅制作容易，結構簡單，安裝便捷，而且由于光纖種類繁多，可根據實際需求，選擇合適類型的光纖制作器件，以實現(xiàn)不同的功能。
　　本文根據像切分器的工作原理，設計了一種新型光纖像切分器。該像切分器包含三個部分——光纖光子燈籠、光纖刷和二者之間的連接光纖。光纖光子燈籠與光纖刷均經過拉錐制成，光纖光子燈籠錐區(qū)末端芯層為圓形，用

3、于接收望遠鏡的出射光信號，光纖刷錐區(qū)末端芯層為一字排列多芯結構，用于將光信號輸入光譜儀。本課題的主要研究內容包括：
　　1.基于光纖光子燈籠和光纖刷的設計結構，研究了錐形緩變光纖的模式理論和多芯光纖的耦合理論。對于錐形光纖器件，當錐區(qū)變化的足夠緩慢時，可以用局部模式對錐區(qū)中的傳播模式進行近似，局部模式功率的變化可以忽略。當波導中包含多根光纖時，模式在各光纖中耦合，耦合強度隨光纖的歸一化頻率和光纖間距的變化而變化。在錐區(qū)中，嵌入光纖

4、的直徑和間距均發(fā)生改變，因而耦合效應在整個錐區(qū)中也發(fā)生變化，越靠近錐區(qū)細端，耦合越明顯。
　　2.本文設計并制作了大熱區(qū)可移動面型火焰拉錐系統(tǒng)，用于將光纖預制棒拉錐成特殊的結構，例如光纖光子燈籠、光纖刷等。該系統(tǒng)的最大特點是加熱器可移動，且移動速度和距離可調，從而實現(xiàn)了可調式大熱區(qū)加熱。通過大熱區(qū)加熱，顯著延長了錐區(qū)長度，減小了器件的傳輸損耗。加熱器的出氣孔采用線型設計，七個直徑為0.5mm的氣孔直線排列，產生面型火焰，一方面降低

5、了加熱火焰的寬度，利于對錐區(qū)形狀的控制，另一方面保證了火焰的長度，能夠加熱不同直徑的預制棒。通過控制丁烷與氧氣的流量比例可實現(xiàn)不同的加熱溫度，以適應不同的拉錐需求。
　　3.設計并制作了一種特殊的光纖光子燈籠，采用大芯徑塑料包層光纖作為嵌入光纖。該特種光纖的包層可以溶于丙酮溶液，而纖芯完好無損。將光纖包層除去后進行嵌入并拉錐，可保證拉錐形成的錐區(qū)末端芯層折射率分布均勻，從而使光場均勻分布，克服了嵌入單模光纖后錐區(qū)末端光場不均勻的缺

6、陷。
　　4.設計并制作了新型的光纖器件——光纖刷，可用于向光譜儀狹縫中輸入光信號。該器件是將七根裸光纖嵌入光子晶體光纖預制棒的一排空氣孔中，經熔融拉錐形成，錐區(qū)末端具有一字排列的七芯結構。模式在錐區(qū)傳播的過程中，將在各嵌入光纖之間進行耦合，從而實現(xiàn)圓形模場向條形模場的轉換。
　　本文的主要創(chuàng)新點如下：
　　1.設計并制作了大熱區(qū)可移動面型火焰拉錐系統(tǒng)，實現(xiàn)了可調式大熱區(qū)加熱，可有效的控制器件錐區(qū)的長度及形狀。