嚴(yán)格耦合波理論的亞波長(zhǎng)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(jí),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(guò)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(kāi)發(fā)光纖耦合器的新功能,采用熔錐技術(shù)制作波長(zhǎng)敏感耦合器,該耦合器在分光的同時(shí)對(duì)波長(zhǎng)敏感。通過(guò)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(zhǎng)靈敏度最大值為17.86%/nm的耦合器。采用拉錐工藝制作波長(zhǎng)敏感耦合器工藝簡(jiǎn)單,耦合比峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)控制易于實(shí)現(xiàn)。該耦合器可用于光纖光柵布拉格波長(zhǎng)漂移解調(diào)。令待解調(diào)光纖光柵布拉格波長(zhǎng)與耦合器波長(zhǎng)靈敏度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)一致,當(dāng)波長(zhǎng)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(zhǎng)敏感耦合器實(shí)現(xiàn)了對(duì)布拉格波長(zhǎng)為1566.71nm光纖光柵波長(zhǎng)漂移的解調(diào),波長(zhǎng)漂移1.80nm,耦合比變化20.34%。此種解調(diào)方式具有光路簡(jiǎn)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(cè)。

第1頁(yè)共10頁(yè) 竭誠(chéng)為您提供優(yōu)質(zhì)文檔/雙擊可除 光柵測(cè)波長(zhǎng)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(cè)定光波波長(zhǎng)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(jiǎn)稱(chēng)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(lái)測(cè)定譜

應(yīng)用模匹配法和空間floquet理論,對(duì)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(duì)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(zhǎng)的表達(dá)式。基于種子光柵中心波長(zhǎng)對(duì)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(jí)數(shù)展開(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)、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(jiàn)光波段,通過(guò)縮小線柵的特征尺寸來(lái)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(lái)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(guò)調(diào)諧兩層金屬線柵之間的距離來(lái)確保偏振器極高的消光比和很強(qiáng)的透過(guò)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(guò)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(jiàn)光波段極大地提高了透射光的消光比和透過(guò)率.

為了研究斜入射衍射光柵對(duì)波長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)誤差也就越大,并推導(dǎo)出了入射角與波長(zhǎng)誤差的經(jīng)驗(yàn)公式,其研究結(jié)果將有利于對(duì)測(cè)量波長(zhǎng)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(huì)帶來(lái)10pm量級(jí)的波長(zhǎng)測(cè)量誤差。為了提高布喇格波長(zhǎng)檢測(cè)精度,采用了在解調(diào)過(guò)程中對(duì)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(zhǎng)的測(cè)量誤差小于2.5pm,溫度測(cè)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(hào)不是非常大的情況下,該方法能有效提高波長(zhǎng)檢測(cè)精度。

為了增大光纖中光信號(hào)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(guò)對(duì)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(lái)測(cè)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(cè)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(cè)量音叉微小振幅的理論基礎(chǔ)上,利用靜光柵縱向位移對(duì)金屬熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)量.本文給出了動(dòng)態(tài)雙光柵測(cè)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(jí)衍射效率為評(píng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)調(diào)諧公式,數(shù)值模擬了光纖光柵波長(zhǎng)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(zhǎng)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(mǎn)足正(余)弦調(diào)諧。理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)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(lái),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(lài)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(zhǎng)度和調(diào)制深度的增加急劇增大。對(duì)于給定光柵長(zhǎng)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(zhǎng)激光輸出,提出了一種改進(jìn)的多波長(zhǎng)主動(dòng)鎖模光纖環(huán)形激光器,采用集成級(jí)聯(lián)采樣光纖光柵進(jìn)入激光腔形成穩(wěn)定的多種波長(zhǎng)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(duì)于所有波長(zhǎng)激光,其腔長(zhǎng)度是一致的,從而可以用相同的鎖模信號(hào)實(shí)現(xiàn)所有波長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)的關(guān)系,并對(duì)保偏光纖耦合器的耦合比、波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)際測(cè)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(guò)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(guò)鍍前預(yù)處理,通過(guò)化學(xué)鍍方法可獲得均勻的金屬保護(hù)鍍層。針對(duì)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(duì)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(duì)fbg起到的溫度增敏作用。

為了滿(mǎn)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(cè)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(duì)兩種傳感器的應(yīng)變特性進(jìn)行測(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)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(zhǎng)度l=100mm管式結(jié)構(gòu)的金屬材料對(duì)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。

基于變分理論,分析了常規(guī)對(duì)稱(chēng)單模熔融拉錐光纖耦合器的腰部區(qū)域和梯度區(qū)域的耦合行為,得出了耦合器耦合比與波長(zhǎng)的關(guān)系,并在熔融拉錐機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了相應(yīng)的波長(zhǎng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn),理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明:在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi),耦合比不但對(duì)波長(zhǎng)敏感,且響應(yīng)具有單調(diào)性。利用此特性,光纖耦合器有望作為光波長(zhǎng)敏感元件,開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的光波長(zhǎng)探測(cè)器。

通過(guò)分析2×2熔融拉錐型光纖耦合器耦合模理論與制作工藝特征,實(shí)驗(yàn)研究了熔融拉錐耦合比與波長(zhǎng)的相關(guān)性,結(jié)果表明拉錐耦合比與波長(zhǎng)近似成線性關(guān)系。

根據(jù)導(dǎo)波光的微擾理論得到了線雙折射磁光光纖光柵中導(dǎo)波光耦合模方程,并給出了其解析解。借助于歸一化斯托克斯參量,研究了線雙折射與磁圓雙折射對(duì)光纖光柵中光偏振態(tài)的影響。研究表明,線雙折射磁光光纖光柵中存在左旋和右旋兩個(gè)本征的橢圓光偏振態(tài),線雙折射或磁圓雙折射的大小只引起本征偏振態(tài)橢圓率的變化,而不改變主軸方位角。通過(guò)調(diào)節(jié)磁光光纖光柵中兩種雙折射的相對(duì)大小可方便地控制輸出導(dǎo)波光的偏振態(tài),從而使磁光光纖光柵在光纖通信與傳感中具有廣泛的潛在應(yīng)用。