長周期手征光柵及其在光纖傳感和光軌道角動量調(diào)制中應用的研究.pdf

1、手征光纖光柵是一種新型的光波導結構，它是通過熔融條件下高速扭轉(zhuǎn)截面非圓對稱光纖制作而成的。該結構沿縱向和角向都存在周期性的折射率調(diào)制，且結構特性與其扭轉(zhuǎn)旋向相關，故被稱為手征光纖光柵。這種光柵因具有偏振選擇和波長選擇的雙重特性，自2003年提出以來就備受關注。它在圓起偏、濾波、傳感（尤其是高溫和惡劣環(huán)境下的傳感）等方面均有重要應用，目前正逐步商業(yè)化。
　　 本文對長周期手征光柵的特性及應用作了系統(tǒng)而深入的研究，主要包括建立了N螺

2、旋長周期手征光柵統(tǒng)一的耦合模分析模型，給出模式耦合的相位和角向匹配條件;以實現(xiàn)手征光柵為目的，研究了特種光纖的雙折射特性;分析了單/雙螺旋長周期手征光柵中模式的耦合特性，著重討論了模式耦合的模式選擇機制和偏振選擇特性;并分別研究了長周期手征光柵在多參量傳感和光軌道角動量調(diào)制中的應用，取得了若干具有創(chuàng)新性的成果。本文的主要內(nèi)容總結如下:
　　 根據(jù)傳統(tǒng)耦合模理論，從圓偏振模出發(fā)，建立了分析截面具有N階旋轉(zhuǎn)對稱的長周期手征光柵的統(tǒng)一

3、理論模型，給出了模式耦合的相位匹配和角向匹配條件。為了解特種光纖特性對實現(xiàn)手征光柵的影響，分析了多應力區(qū)光纖和截面幾何擾動光纖等特種光纖的雙折射等特性。分析表明，當應力區(qū)沿包層角向均勻分布時，兩個應力區(qū)在纖芯的雙折射是單個應力區(qū)的兩倍;應力區(qū)數(shù)目大于等于3個時，纖芯介電常數(shù)分布是均勻各向同性的。對幾何截面具有N階旋轉(zhuǎn)對稱性的光纖，給出了判斷模式是否存在雙折射的依據(jù);當N≥3時，纖芯基模沒有雙折射，高階模式的一對奇偶?？赡艽嬖陔p折射。此外

4、，作為理論分析和模擬計算的基礎，給出了雙包層階躍光纖包層混合模HE/EH模式、TE/TM模式的本征方程、場分布和歸一化功率的詳細解析表達式。
　　 分析了單螺旋和雙螺旋長周期手征光柵模式耦合的選擇特性。分析發(fā)現(xiàn)，對右手單、雙螺旋長周期手征光柵，當左、右旋的圓偏振芯層模與一對弱導近似下簡并的包層模同時發(fā)生耦合時，光柵中沒有圓偏振選擇特性;而僅右旋或僅左旋的芯層模與特定的包層模發(fā)生耦合時，光柵具有左旋或右旋的圓偏振選擇特性。同時，以

5、橢圓芯光纖和熊貓光纖長周期手征光柵為例，對幾何型和應力型雙螺旋長周期結構中模式耦合情況進行了詳細理論分析和數(shù)值模擬，并對二者的特性進行了對比。另外，從模式的角向?qū)ΨQ性和手征光柵截面的離散旋轉(zhuǎn)對稱性角度，給出了長周期手征光柵模式耦合中偏振選擇的物理解釋。
　　 分別以偏芯單螺旋和橢圓芯雙螺旋長周期手征光柵為例，分析了長周期手征光柵對溫度和應變的傳感特性。分析中，分別考慮了基于石英以及聚合物兩種材料的結構，并對比了它們的傳感靈敏度，

6、分析表明，由于聚合物材料相比石英材料具有更高的熱光系數(shù)和更小的楊氏模量，聚合物光柵的靈敏度優(yōu)于石英光柵。此外，基于橢圓芯長周期手征光柵中左、右旋芯層模與一對簡并的包層模的偏振選擇耦合特性，設計了一種新型的同時測量溫度和應變的傳感方式。同時，詳細討論了偏芯長周期手征光柵在多參量傳感中的應用。并針對傳感應用，設計了一種基于偏光雙折射材料且無需熔融條件的手征光柵制作方案。
　　 研究了長周期手征光柵模式耦合的軌道角動量轉(zhuǎn)換規(guī)則，以及自

7、旋角動量、軌道角動量以及光柵的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，對單螺旋長周期手征光柵，可產(chǎn)生軌道角動量為±(h)和±3(h)的模式。對N(N≥2)螺旋長周期手征光柵，可產(chǎn)生軌道角動量為±N殼和±(±N±2)(h)的模式。特別地，對雙螺旋長周期手征光柵，可產(chǎn)生軌道角動量±2(h)和±4(h)的模式。在此基礎上，基于右手螺旋橢圓芯長周期手征光柵，設計了幾種軌道角動量調(diào)制器件，包括在兩個波長處實現(xiàn)軌道角動量分別為+2(h)和+4(h)的調(diào)制器，以及軌道角