雷射誘導光纖微結構包層模器件製備與感測研究

《雷射誘導光纖微結構包層模器件製備與感測研究》是依託上海大學，由劉雲啟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雷射誘導光纖微結構包層模器件製備與感測研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉雲啟
• 依託單位：上海大學

中文摘要

特種光纖包層模無源器件具有對介質環境折射率變化極為敏感等突出優點，在各種腐蝕性和危險性環境的感測套用方面有重要的套用前景。本項目擬利用飛秒脈衝雷射在保偏光纖中製備微結構包層模器件，通過對器件光譜特性、包層模模場分布以及寫入動態規律的研究，進行理論建模和數值模擬分析，研究包層模器件的寫入機理，對比研究雷射誘導的應力(殘餘應力與外加應力)變化與玻璃結構改變對光纖折射率調製的貢獻。擬利用聚焦的飛秒雷射對光纖纖芯和包層的折射率變化進行調節，探索通過調節光纖包層的折射率分布對其包層模模場傳輸特性進行控制的技術方法，並研究包層模模場分布對器件感測特性的影響機理，從而研製高靈敏度的光纖微結構包層模折射率感測器。這種感測器在危險氣體檢測、環境監測、大型建築的安全監測、化學和生物感測等領域有重要的套用前景，對其寫入機理的研究對進一步改進和提高特種光纖製備技術有重要的參考價值和基礎科學意義。

結題摘要

特種光纖包層模器件具有對介質環境折射率變化極為敏感等突出優點，在各種腐蝕性和危險性環境的感測方面有重要的套用前景。長周期光纖光柵（Long-Period Fiber Grating, LPFG）是典型的光纖包層模器件。項目利用CO2雷射和飛秒脈衝雷射在保偏光纖等特種光纖中製備LPFG，通過對器件光譜特性及寫入動態規律的研究，對比研究了雷射誘導的應力（殘餘應力與外加應力）變化與玻璃結構改變對光纖折射率調製的貢獻，並研究了光纖纖芯和包層折射率變化對包層模傳輸特性及器件感測特性的影響。 實驗發現，殘餘應力釋放、光纖玻璃結構變化與非彈性應力凍結是影響LPFG寫入過程的主要物理效應。當有外加應力時，可以實現應力折變型LPFG的可擦重寫。對於保偏光纖LPFG，當雷射沿光纖的慢軸方向入射時的成柵效率明顯較高，當施加了軸向拉力時，沿快軸入射寫入的LPFG會在長波區域形成新的諧振峰。這是因為雷射可避開應力柱直接作用在纖芯與包層區域，由於外加應力凍結效應而形成新的諧振峰；當沿光纖慢軸方向入射時，雷射直接作用在應力柱上，非彈性應力凍結效應遠小於應力柱的應力變化的影響，因此即使外加較大應力也不會產生新諧振峰。實驗發現新產生的諧振峰對外界折射率的變化更為敏感。 在隨機氣孔微結構光纖上製備了不同周期的LPFG，發現當有外加應力時，LPFG的寫入重複性明顯提高。雙包層摻氟光纖上的類似實驗發現，包層不同結構之間的殘餘應力釋放引起的折射率變化對LPFG的形成有較大貢獻。製備了不同周期和不同傾斜角度的傾斜LPFG，發現對比普通LPFG，其成柵效率和折射率靈敏度較高。在不同錐區直徑的錐形光纖上寫入LPFG，發現隨著光纖錐區直徑的減小，光柵透射峰的中心波長向短波方向漂移。當光纖錐區直徑逐漸減小時，LPFG的折射率和溫度靈敏度逐漸增大，錐區直徑為21微米的封裝錐形光纖LPFG的溫度靈敏度提高了一個數量級。 通過對LPFG寫入動態過程、傳輸與感測特性的研究，揭示了器件寫入的物理機理，為提高器件製備效率和研製新型光柵器件提供了參考，有利於拓寬LPFG在光纖通信和高靈敏度感測領域的套用。已在知名國際會議發表學術論文13篇，其中10篇已被EI收錄；申請發明專利3項，其中2項已授權。申請和承擔了多個科研項目的研究工作，並新獲得國家自然科學基金項目1項。