閃耀光纖光柵復(fù)模理論和半導(dǎo)體激光器線陣光纖束耦合技術(shù)研究.pdf

1、基于閃耀光纖布拉格光柵的折射率傳感器具有體積小、對被測量環(huán)境的影響小的優(yōu)勢,還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量,具有實現(xiàn)分布式的多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)的潛力,在環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)過程監(jiān)控、化學(xué)、生物以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。然而閃耀光纖光柵的理論發(fā)展卻相對滯后,嚴(yán)重制約了人們對閃耀光纖光柵的認(rèn)知,限制了相關(guān)器件的實用化。大功率光纖激光源具有結(jié)構(gòu)緊湊、散熱好和輸出光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),在國防、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而其泵浦耦合是限制其輸出功率提高的重

2、要因素。目前采用的大功率半導(dǎo)體激光器泵浦源的輸出光束有著諸多不理想特性,因此對該泵浦源的輸出光束進(jìn)行準(zhǔn)直、整形、聚焦最終完成光纖耦合輸出對于大功率光纖激光器的實現(xiàn)十分重要。本論文針對上述問題,對閃耀光纖光柵復(fù)模理論、基于閃耀光纖布拉格光柵折射率傳感器、半導(dǎo)體激光器線陣的光纖束耦合技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。取得的主要創(chuàng)新成果如下:
　　 1.提出了一種改進(jìn)的基于有限差分的光纖全矢量復(fù)域解模算法。該算法采用了嚴(yán)格的界面邊界條件和完全

3、匹配層技術(shù),在計算精度、收斂速度、自恰性等方面與傳統(tǒng)算法相比有顯著提高;可以準(zhǔn)確高效地分析光纖的全矢量導(dǎo)模和泄漏模特性。該算法提供了一個開放波導(dǎo)模型,其中的連續(xù)輻射模可以由離散的復(fù)模(準(zhǔn)泄漏模)近似,從而極大地簡化輻射模耦合的分析。該開放波導(dǎo)模型是閃耀光纖光柵復(fù)模理論的基礎(chǔ)。
　　 2.首次提出并建立了完善的閃耀光纖光柵全矢量復(fù)模理論(包括光纖光柵全矢量復(fù)模匹配法和閃耀光纖光柵全矢量復(fù)耦合模理論)。該理論基于光纖全矢量復(fù)域解模算

4、法提供的開放波導(dǎo)模型,統(tǒng)一了光纖光柵中離散導(dǎo)模和連續(xù)輻射模在模耦合問題上的處理方法,從而極大地簡化輻射模耦合的分析。該理論可以全面地分析光纖光柵(含閃耀光纖光柵)中,光纖外包層折射率小于、等于、大于內(nèi)包層折射率時,芯模到包層導(dǎo)模和輻射模復(fù)雜的耦合問題。
　　 3.首次研究了模式損耗對光柵輔助表面等離子體(SPP)折射率傳感器可行性的影響。結(jié)果表明:為了實現(xiàn)芯模與SPP模的有效耦合,光纖光柵的長度應(yīng)小于或可比于SPP模的傳輸距離。

5、同時給出了一般性的結(jié)論:在波導(dǎo)光柵中為了實現(xiàn)有效的模間耦合,光柵的長度受限于損耗最大模式的傳輸距離,光柵長度應(yīng)小于或可比于該模式的傳輸距離。
　　 4.首次系統(tǒng)地研究了基于閃耀光纖布拉格光柵(TFBG)的折射率傳感器的特性。著重分析了TFBG的偏振依賴特性并研究了其對TFBG折射率傳感器性能的影響。給出了減小TFBG偏振依賴效應(yīng)對傳感器性能影響的途徑。提出了一種檢測TFBG截止波長(正面臨截止的包層導(dǎo)模諧振峰的諧振波長)的方法。

6、利用TFBG的截止波長可以在0.1范圍內(nèi)實現(xiàn)靈敏度為500nm/u.r.i,分辨率為10-3,對纖芯中傳導(dǎo)光偏振不敏感的折射率測量;通過檢測包層導(dǎo)模諧振峰的諧振波長在0.001范圍內(nèi)可以實現(xiàn)分辨率為2.5×10-5的折射率測量。
　　 5.對半導(dǎo)體激光器線陣(LDA)的光纖束耦合技術(shù)進(jìn)行了實驗研究。制作了石英錐陣列并利用它對快軸準(zhǔn)直的半導(dǎo)體激光器線陣輸出光束進(jìn)行耦合。給出了一種利用裸光纖作為探頭掃描測量半導(dǎo)體激光器線陣輸出光束強(qiáng)