嚴(yán)格耦合波理論的亞波長金屬光柵偏振器設(shè)計(jì)

為了有效縮小光纖光柵尺寸,提高光電轉(zhuǎn)換間的耦合效果。文章在基于光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,給出了在光纖光柵中插入四、五層金屬光柵的實(shí)現(xiàn)方法。該方法基于表面等離子體激元(surfaceplasmonpolaritons,spps)的光纖布拉格光柵,可以把原有的光纖光柵尺寸縮小一個(gè)量級,而且不增加光在光子器件中的損耗。仿真分析表明,spps在光傳播過程中可起到能量補(bǔ)償作用,并可產(chǎn)生增透現(xiàn)象。

為了拓寬光纖耦合器的使用范圍,開發(fā)光纖耦合器的新功能,采用熔錐技術(shù)制作波長敏感耦合器,該耦合器在分光的同時(shí)對波長敏感。通過耦合理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值相符合。實(shí)驗(yàn)中得到波長靈敏度最大值為17.86%/nm的耦合器。采用拉錐工藝制作波長敏感耦合器工藝簡單,耦合比峰值對應(yīng)波長控制易于實(shí)現(xiàn)。該耦合器可用于光纖光柵布拉格波長漂移解調(diào)。令待解調(diào)光纖光柵布拉格波長與耦合器波長靈敏度最大值對應(yīng)的波長一致,當(dāng)波長發(fā)生漂移時(shí),耦合器輸出耦合比發(fā)生變化。自制的波長敏感耦合器實(shí)現(xiàn)了對布拉格波長為1566.71nm光纖光柵波長漂移的解調(diào),波長漂移1.80nm,耦合比變化20.34%。此種解調(diào)方式具有光路簡單,易于與光纖匹配的優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)用在大型建筑中光纖光柵的健康監(jiān)測。

第1頁共10頁 竭誠為您提供優(yōu)質(zhì)文檔/雙擊可除 光柵測波長實(shí)驗(yàn)報(bào)告 篇一：光柵衍射實(shí)驗(yàn)報(bào)告 4.10光柵的衍射 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?(1)進(jìn)一步熟悉分光計(jì)的調(diào)整與使用; (2)學(xué)習(xí)利用衍射光柵測定光波波長及光柵常數(shù)的原理 和方法;(3)加深理解光柵衍射公式及其成立條件。 【實(shí)驗(yàn)原理】 衍射光柵簡稱光柵，是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散 的一種光學(xué)元件。它實(shí)際上是一組數(shù)目極多、平行等距、緊 密排列的等寬狹縫，通常分為透射光柵和平面反射光柵。透 射光柵是用金剛石刻刀在平面玻璃上刻許多平行線制成的， 被刻劃的線是光柵中不透光的間隙。而平面反射光柵則是在 磨光的硬質(zhì)合金上刻許多平行線。實(shí)驗(yàn)室中通常使用的光柵 是由上述原刻光柵復(fù)制而成的，一般每毫米約250~600條線。 由于光柵衍射條紋狹窄細(xì)銳，分辨本領(lǐng)比棱鏡高，所以常用 光柵作攝譜儀、單色儀等光學(xué)儀器的分光元件，用來測定譜

應(yīng)用模匹配法和空間floquet理論,對金屬光柵的散射特性進(jìn)行了詳盡分析,并且得到了矩形光柵圓極化器的尺寸。然后,對光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,得到了雙u型金屬光柵圓極化器,其軸比1.2范圍內(nèi)的帶寬是矩形光柵帶寬的3倍,功率容量為矩形光柵的15倍。最后,在cst軟件中建立模型,仿真結(jié)果顯示,中心頻率上軸比為1.07,很好地實(shí)現(xiàn)了右旋極化轉(zhuǎn)變。

推導(dǎo)并驗(yàn)證了非啁啾取樣光纖布拉格光柵(sfbg)反射譜中反射峰值波長的表達(dá)式?；诜N子光柵中心波長對應(yīng)的折射率調(diào)制深度和取樣光纖布拉格光柵折射率調(diào)制函數(shù)的傅里葉級數(shù)展開式,提煉出取樣光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度和各階光柵周期,從而導(dǎo)出其反射峰值波長的表達(dá)式。由于考慮了占空比、取樣周期等取樣光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)參量,因而表達(dá)式能夠描述反射峰的分布。仿真實(shí)驗(yàn)中,不同占空比或取樣周期下計(jì)算出的反射峰值波長、信道間隔符合數(shù)值反射譜。該表達(dá)式既適用于均勻取樣光纖布拉格光柵,也適用于交流切趾和交直流切趾取樣光纖布拉格光柵。

金屬線柵偏振器是一種新興的基于微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)偏振器件,體積小、性能高、易集成.但在紫外和可見光波段,通過縮小線柵的特征尺寸來提高消光比的方法已經(jīng)受到納米制作工藝的限制,因此需要新的結(jié)構(gòu)來提高其偏振特性.雙層金屬線柵結(jié)構(gòu)僅在特定波段上提高器件的偏振特性.在此基礎(chǔ)上,提出一種間距可調(diào)諧的金屬線柵偏振器結(jié)構(gòu),通過調(diào)諧兩層金屬線柵之間的距離來確保偏振器極高的消光比和很強(qiáng)的透過率.利用virtuallab軟件的傅里葉模式方法,計(jì)算了可調(diào)諧型金屬線柵偏振的透過率和消光比.數(shù)值仿真結(jié)果表明,雙層可調(diào)諧型金屬線柵結(jié)構(gòu)在整個(gè)紫外、可見光波段極大地提高了透射光的消光比和透過率.

為了研究斜入射衍射光柵對波長測量的影響,采用了平行光斜入射衍射光柵,得出了平行光斜入射角越大,其波長誤差也就越大,并推導(dǎo)出了入射角與波長誤差的經(jīng)驗(yàn)公式,其研究結(jié)果將有利于對測量波長的矯正。

由于各種光噪聲的影響,基于可調(diào)諧法布里-珀羅(f-p)濾波器的光柵解調(diào)儀解調(diào)精度不夠高,光路噪聲通常會帶來10pm量級的波長測量誤差。為了提高布喇格波長檢測精度,采用了在解調(diào)過程中對光纖光柵反射譜進(jìn)行高斯擬合,從而消減噪聲影響的方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),擬合后中心波長的測量誤差小于2.5pm,溫度測量值與實(shí)際溫度之間的標(biāo)準(zhǔn)方差為0.3℃。結(jié)果表明,在有害噪聲信號不是非常大的情況下,該方法能有效提高波長檢測精度。

為了增大光纖中光信號的傳輸效率,在光纖中嵌入金屬光柵是一種可行的做法。文中通過對嵌入不同材料的五層金屬光柵光纖的反射率的分析,給出了在金屬光柵中嵌入材料的選擇方法。仿真分析結(jié)果顯示,ag作為一種優(yōu)良的等離子材料,是最適宜作為嵌入的金屬光柵材料。

線脹系數(shù)是表征物質(zhì)膨脹特性的重要參數(shù)。介紹了用光柵尺和恒溫控制的方法來測量金屬的線脹系數(shù)的原理、方法和實(shí)驗(yàn)裝置,給出了測定結(jié)果。結(jié)果表明,該方法減小了實(shí)驗(yàn)誤差,得到了預(yù)期的結(jié)果,體現(xiàn)了新型傳感器在實(shí)驗(yàn)技術(shù)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。

在雙光柵測量音叉微小振幅的理論基礎(chǔ)上,利用靜光柵縱向位移對金屬熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測量.本文給出了動態(tài)雙光柵測量金屬熱膨脹系數(shù)的理論拓展與實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

基于嚴(yán)格耦合波理論,分析了金屬介質(zhì)膜光柵的衍射性能,以-1級衍射效率為評價(jià)函數(shù),研究了表面浮雕結(jié)構(gòu)分別為hfo2和sio2材料的金屬介質(zhì)膜光柵,獲得衍射效率優(yōu)于99%的結(jié)構(gòu)參數(shù)。數(shù)值計(jì)算表明,當(dāng)頂層光柵結(jié)構(gòu)為hfo2和sio2的槽深分別為80nm和225nm時(shí),在1053nm處獲得接近100%的衍射效率。

對基于應(yīng)力、位移、空間角度的多參數(shù)可調(diào)諧的光纖光柵(fbg)波長調(diào)諧進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)推導(dǎo)出的波長調(diào)諧公式,數(shù)值模擬了光纖光柵波長受應(yīng)力、位移、空間角度時(shí)的多種調(diào)諧關(guān)系。在模擬分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種基于應(yīng)力、位移、空間角度的多參數(shù)可調(diào)諧的光纖光柵波長調(diào)諧器,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明基于應(yīng)力、位移的調(diào)諧為線性調(diào)諧,各光柵調(diào)諧線性擬合度均達(dá)0.9975以上;基于角度的調(diào)諧近似滿足正(余)弦調(diào)諧。理論分析和實(shí)驗(yàn)測量具有良好的一致性。

研究了單模光纖布拉格光柵的偏振相關(guān)損耗(pdl)特性。運(yùn)用耦合模理論和瓊斯(jones)矩陣提出了反射光的有效偏振相關(guān)損耗(pdleff),并模擬了其隨光柵參數(shù)和雙折射量的變化性質(zhì)。光柵反射光的偏振相關(guān)損耗在反射譜的帶邊處明顯地表現(xiàn)出來,特別是帶邊比較陡峭時(shí)。結(jié)果表明,光柵的有效偏振相關(guān)損耗明顯地依賴于光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和雙折射量。光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨光柵長度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對于給定光柵長度和調(diào)制深度的光柵,光柵雙折射量小于2×10-5時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗隨雙折射的增大迅速增大;光柵雙折射量大于2.5×10-4時(shí),光柵的有效偏振相關(guān)損耗的兩個(gè)主峰的寬度變大并在其上有子峰,隨雙折射的繼續(xù)增大,兩主峰間距增大而子峰變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬基本吻合。

為了實(shí)現(xiàn)多波長激光輸出,提出了一種改進(jìn)的多波長主動鎖模光纖環(huán)形激光器,采用集成級聯(lián)采樣光纖光柵進(jìn)入激光腔形成穩(wěn)定的多種波長激光的方法,進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,雙環(huán)形腔結(jié)構(gòu)對于所有波長激光,其腔長度是一致的,從而可以用相同的鎖模信號實(shí)現(xiàn)所有波長的同步鎖模。實(shí)驗(yàn)中光纖環(huán)形激光器成功實(shí)現(xiàn)了以1.6nm為間隔的波長多達(dá)14個(gè);它的輸出功率大于0dbm,邊模抑制比約30db,最高模式鎖模頻率為1.05ghz,輸出脈沖序列的脈寬是216ps。這一結(jié)果對光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)是有幫助的。

根據(jù)單模光纖模激勵(lì)理論,論述了熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理,得出了耦合器耦合比和波長的關(guān)系,并對保偏光纖耦合器的耦合比、波長與溫度的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)際測試。

光纖布拉格光柵(fbg)傳感器是智能金屬結(jié)構(gòu)首選的信息傳輸與傳感的載體,埋入金屬材料內(nèi)部的fbg傳感器必須要經(jīng)過適當(dāng)保護(hù),金屬鍍層是最有效的保護(hù)方法之一。fbg經(jīng)過鍍前預(yù)處理,通過化學(xué)鍍方法可獲得均勻的金屬保護(hù)鍍層。針對金屬保護(hù)鍍層,應(yīng)用彈性力學(xué)基本原理分析了由于鍍層與fbg傳感器的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力,建立了鍍層厚度對fbg溫度傳感性能影響的數(shù)學(xué)模型。鍍鎳fbg的升溫和降溫傳感實(shí)驗(yàn)表明,升溫時(shí)的實(shí)際溫度靈敏度系數(shù)與模型值之間誤差為6.22%,降溫時(shí)的實(shí)際溫度靈敏度系數(shù)與模型值之間誤差為6.75%。與裸fbg相比,化學(xué)鍍鎳后的fbg溫度靈敏度系數(shù)提高1倍多。結(jié)果表明該溫度模型從理論上解釋了鍍層金屬熱應(yīng)力對fbg起到的溫度增敏作用。

提出了一種基于兩端固定壓桿的新型光纖布拉格光柵(fbg)波長調(diào)諧方法。根據(jù)材料力學(xué)對基于兩端固定壓桿的光纖光柵波長調(diào)諧進(jìn)行了理論推導(dǎo),仿真并重點(diǎn)分析了在調(diào)諧過程中諧振峰產(chǎn)生的原因。利用自行設(shè)計(jì)的調(diào)諧裝置進(jìn)行了fbg波長調(diào)諧實(shí)驗(yàn),波長調(diào)諧量與移動平臺位移量成指數(shù)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了fbg波長的雙向準(zhǔn)無啁啾調(diào)諧量35nm,調(diào)諧過程中3db帶寬的改變量小于0.09nm。調(diào)諧過程具有很好的重復(fù)性,遲滯誤差為0.08%。

報(bào)道了一種基于偏芯結(jié)構(gòu)的雙芯光纖制作的長周期光纖光柵,研究了在這種雙芯光纖中寫入相同結(jié)構(gòu)的長周期光纖光柵的模式耦合特性,這種雙芯結(jié)構(gòu)能夠?qū)蓚€(gè)平行的長周期光纖光柵集成在一根光纖中。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在光纖圓周橫截面不同方位進(jìn)行曝光,可獲得不同的光柵透射譜,通過利用co2激光脈沖曝光方法實(shí)現(xiàn)其制備,實(shí)驗(yàn)得出了采用單側(cè)曝光方法在偏芯結(jié)構(gòu)的雙芯光纖上制備長周期光纖光柵的最佳寫入方式。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)的對比,結(jié)果表明,雙芯長周期光纖光柵透射譜依賴于在雙芯光纖圓周上的曝光方向。

介紹一種新型的基于光纖光柵應(yīng)變傳感特性的金屬腐蝕傳感器。實(shí)驗(yàn)中,傳感器被放置在腐蝕液中,并使用moism125波長解調(diào)儀監(jiān)測光纖光柵反射譜中心波長。加速腐蝕實(shí)驗(yàn)持續(xù)大約7h,結(jié)束時(shí)應(yīng)變片被腐蝕的厚度為1.2mm,光柵反射譜中心波長偏移了約4nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該傳感器設(shè)計(jì)的合理性和在實(shí)際應(yīng)用中的可能性,同時(shí)也討論將該種傳感器投入實(shí)用所需要進(jìn)行的改進(jìn)。

為了滿足橋梁和大壩等民用建筑和航空航天飛行器等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與管理需要,設(shè)計(jì)并制作了兩種分別用鈦合金和不銹鋼材料封裝的光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器,并利用懸臂梁校準(zhǔn)裝置對兩種傳感器的應(yīng)變特性進(jìn)行測試。試驗(yàn)結(jié)果表明,鈦合金封裝的線性度及應(yīng)變靈敏系數(shù)優(yōu)于不銹鋼材料封裝的傳感器。因此,在對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測時(shí),使用鈦合金封裝的傳感器更能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化,從而達(dá)到健康監(jiān)測的目的。

介紹了光纖光柵溫度傳感器的金屬管封裝技術(shù),通過實(shí)驗(yàn)研究其溫度傳感特性。采用熱膨脹系數(shù)不同的內(nèi)徑r=1mm,壁厚d=0.5mm,長度l=100mm管式結(jié)構(gòu)的金屬材料對光纖光柵進(jìn)行貼壁封裝實(shí)驗(yàn)時(shí),得到黃銅管封裝的傳感靈敏度為14.9pm/℃,紫銅管封裝的為14.6pm/℃,不銹鋼管封裝的為12.0pm/℃,它們分別是裸光柵的1.66倍、1.62倍和1.33倍,意味著熱膨脹系數(shù)大的封裝材料傳感靈敏度更高。實(shí)驗(yàn)表明,軸向封裝的光柵,傳感靈敏度還與其同管內(nèi)壁的間距有關(guān),間距越小靈敏度越高。