基于微結(jié)構(gòu)光纖的高靈敏傳感器與低閾值微腔激光器研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)光纖具有豐富的包層微結(jié)構(gòu)和新穎獨特的波導特性，為實現(xiàn)高性能的光纖光子器件提供了通用平臺和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。由于溫敏液體、液晶、磁流體、光致異構(gòu)分子等材料具有優(yōu)異的熱、電、磁、光等特性，一旦植入光纖微結(jié)構(gòu)中就能夠?qū)崿F(xiàn)對光纖的傳導機制、模式、耦合、色散特性、偏振、雙折射等特性的外場調(diào)控。因此，開展基于功能材料植入的微結(jié)構(gòu)光纖器件研究有助于理解光與物質(zhì)相互作用的機理，促進新型高靈敏傳感器件和有源器件的發(fā)展，不僅對現(xiàn)代光纖通信技術(shù)和光纖傳感技術(shù)具

2、有重要的意義，而且對生化探測、光流體科學、集成光子學的發(fā)展也將產(chǎn)生深遠的影響。
　　本文結(jié)合國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家自然科學基金、天津市自然科學基金等項目的研究目標和內(nèi)容，以功能材料與微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)兼容與功能集成為途徑，針對微結(jié)構(gòu)光纖植入波導的諧振耦合機制、可調(diào)諧特性、高性能傳感特性、有源器件集成等方面開展了全面、系統(tǒng)、深入的理論與實驗研究。本論文主要的研究工作和創(chuàng)新性成果如下:
　　1、首次提出并詮釋了

3、單孔微流材料植入的微結(jié)構(gòu)光纖中雙生諧振耦合現(xiàn)象和機制。分別從理論和實驗上闡釋了雙生諧振耦合機制的本質(zhì)、來源和產(chǎn)生條件，證明了幾何對稱結(jié)構(gòu)中波導材料折射率與模式折射率的波長對應關(guān)系。利用雙生諧振耦合峰對外界環(huán)境參量變化的超靈敏光譜響應實現(xiàn)了高達290nm/℃(739796nm/RIU)或591.84nm/N(701.204pm/με)的傳感靈敏度，比傳統(tǒng)光纖傳感器高出2-4個數(shù)量級，為當時報道的光纖類傳感器中的最高值。利用這種超靈敏的光譜

4、響應以及雙生諧振耦合峰相反的漂移趨勢，實現(xiàn)了緊湊、高靈敏、多參量的全光纖傳感器。
　　2、提出了一種新型微流輔助的微結(jié)構(gòu)光纖拍頻干涉儀傳感器。利用植入液芯引入的不對稱結(jié)構(gòu)使雙模微結(jié)構(gòu)光纖中LP11模式兩分量的色散曲線產(chǎn)生分離，導致與纖芯LP01基模形成兩套頻率接近卻又不相等的干涉。由于兩套干涉頻率間的細微差別，疊加后的傳輸光譜形成了拍頻干涉效應。經(jīng)過深入的理論分析和實驗研究，明晰了拍頻干涉中高低頻分量的產(chǎn)生機理、傳感特性以及影響靈

5、敏度的因素。利用拍頻干涉光譜中高低頻分量對外界參量變化響應的顯著差異，實驗上獲得了低頻包絡(高頻干涉峰)-959.22pm/℃(-70.59pm/℃)和24.26nm/N(-3.14nm/N)的響應。靈敏度較普通光纖干涉儀光譜高出1至2個數(shù)量級，可應用于物理、生化領(lǐng)域的多參量傳感。
　　3、提出一種基于簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖的可控雙微球激光器的新技術(shù)和新機制。首先，利用簡化空芯光纖內(nèi)置納米波導實現(xiàn)了與微腔的高效耦合以及nJ級別的超低閾