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基于微纳光纤环形谐振腔的理论研究

作　者: 陈一槐
导　师: 饶云江
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤传感器谐振腔 M-Z干涉仪微纳光纤
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光纤作为20世纪最伟大的发明,已经走过了快一个世纪的历史,随着社会物质生活的提高以及科学技术的进步,人们对光纤技术的进一步发展也充满了需求和渴望;回顾电子器件的历史,我们可以惊人的发现光纤技术正在走着和电子技术相同的道路,那就是器件的微型化。由于历史的原因,光纤技术的每一步发展都是伴随着电子技术的进步的,所以光纤技术也不可避免的要跟随电子技术的脚步。本论文以微纳光纤技术的研究背景开始,逐步介绍了现有的微纳光纤技术以及微纳光纤的制作方法,回顾了微纳光纤的理论研究,和现在各种基于微纳光纤器件的研究,提出了基于微纳光纤环形谐振腔的理论和应用。论文首先分析了单根微纳光纤的光场传输特性,并在弱波导近似的前提下,研究了微纳光纤中的光场分布,得到了当一定波长的光在微纳光纤传输时,会有部分光场能量以消逝波的形式在微纳光纤表面传输的结论;并在此基础上,假设在弱耦合近似下,分析了两根微纳光纤之间的耦合模式,得到了两根平行微纳光纤之间光能量将以余弦波的形式在两根微纳光纤之间交替传输,能量交替的拍长与两根微纳光纤的直径、间距和环境折射率相关。论文的主要工作一是在两根平行微纳光纤耦合理论的基础之上,分析了基于这种耦合模式的微纳光纤环形谐振腔,并通过理论计算得出了环形谐振腔的传输公式,并设置了在不同参数下的环形谐振腔的输出光谱;同时,论文还研究了基于环形谐振腔各种不同的组合方式,具体包括并联双环谐振腔的研究以及串联双环谐振腔的研究,通过计算得出了相应的传输公式并分析了其输出光谱的相位变化特性。论文的主要工作二是微纳光纤的制作;论文中,我们通过了两种方法制作微纳光纤,一种是利用酒精灯加热拉制熔融状态下的普通单模光纤,制作的微纳光纤的长度可以达到10cm左右,直径可以在1~2μm,直径均匀度约为10-5;第二种方法是通过有机溶剂溶解聚合物光纤,然后利用光纤锥提拉溶解的聚合物制作微纳光纤,这样制作的微纳光纤长度可达50cm左右,光纤直径约为1μm,直径均匀度约为10-5;第三种方法与第二种和第一种方法相似,通过高温加热,熔化聚合物光纤,然后利用光纤锥提拉熔化的聚合物制作微纳光纤,制作的微纳光纤和第二种方法制作的微纳光纤特性相近。论文的主要工作三是通过自己制作的微纳光纤,制作微纳光纤谐振腔,用实验来证明主要工作一中推导的传输公式的准确性,实验结果表明,论文中对微纳光纤谐振腔理论的计算是基本正确的,并能够运用这些理论来研究更多的谐振腔的组合,比如多环串联和并联。同时,结合我们实验室传统光纤传感的优势,论文还就微纳光纤谐振腔的传感特性做了大量实验,实验结果已发表在相应刊物上。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-17
  1.1 课题意义  10-11
  1.2 课题背景  11-16
    1.2.1 微纳光纤制作的研究  11-13
    1.2.2 微纳光纤的应用研究  13-16
  1.3 小结  16-17
第二章微纳光纤环形谐振腔的理论研究  17-44
  2.1 单根微纳光纤光场传输理论以及耦合特性  17-27
    2.1.1 单根微纳光纤光场传输理论  17-22
    2.1.2 两根平行微纳光纤之间的耦合特性  22-27
  2.2 Knot 型环形谐振腔的理论研究  27-43
    2.2.1 单环的理论分析  28-33
    2.2.2 双环的理论分析  33-40
    2.2.3 多环的理论分析  40-43
  2.3 分析与小结  43-44
第三章微纳光纤以及环形谐振腔的制备  44-52
  3.1 微纳光纤的制备  44-50
    3.1.1 利用氧化硅材料制作微纳光纤  44-48
    3.1.2 利用聚合物材料制作微纳光纤  48-50
  3.2 基于微纳光纤环形谐振腔的制备  50-51
  3.3 小结  51-52
第四章微纳光纤环形谐振腔的研究与应用  52-66
  4.1 单个环形谐振腔的实验研究  53-58
    4.1.1 单个环形谐振腔的光谱实验研究  53-55
    4.1.2 单个环形谐振腔的传感实验研究  55-58
  4.2 并联结构的光谱实验研究  58-59
  4.3 串联结构的实验研究  59-65
    4.3.1 串联结构的光谱实验研究  59-62
    4.3.2 串联双环结的传感实验研究  62-65
  4.4 分析与小结  65-66
第五章结论与展望  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-73
攻读硕士学位期间的研究成果  73-74

基于微纳光纤环形谐振腔的理论研究

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