【摘要】：光學(xué)微腔是一種尺寸在微米量級(jí)或者亞微米量級(jí)的光學(xué)諧振腔,它利用在折射率不連續(xù)的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效應(yīng),將光限制在一個(gè)很小的區(qū)域,具有比傳統(tǒng)介質(zhì)微腔更寬的調(diào)控或感測(cè)能力和自由光譜范圍。光學(xué)微腔是光電子器件中應(yīng)用十分廣泛的一種,在光通信、傳感、激光、信號(hào)處理等領(lǐng)域有著極大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。最近幾十年,由于光纖技術(shù)的快速發(fā)展,基于光纖的光學(xué)微腔器件成為了研究的熱點(diǎn)。各種不同類(lèi)型的光纖微腔器件不斷涌現(xiàn),包括光纖法布里-珀羅微腔、光纖馬赫-曾德?tīng)栁⑶弧⒐饫w氣泡微腔、光子晶體光纖缺陷腔等,主要應(yīng)用于折射率、溫度、氣壓,應(yīng)力、磁場(chǎng)、載荷等參量的傳感。飛秒激光技術(shù)的問(wèn)世和發(fā)展,豐富了光纖微腔器件的制備手段。本文圍繞低成本、高性能的光纖微腔傳感器開(kāi)展研究工作,沿著將微腔從光纖端面逐步移植到光纖纖芯、纖芯與包層交界和遠(yuǎn)離纖芯,傳感器靈敏度逐步提升這條主線開(kāi)展研究工作。利用飛秒激光濕法刻蝕技術(shù)制備光纖法布里-珀羅微腔應(yīng)用于應(yīng)變和氣壓傳感。當(dāng)?shù)驼凵渎室后w進(jìn)入微腔后,腔壁反射率降低無(wú)法形成干涉從而限制了其折射率傳感應(yīng)用,為了解決這一問(wèn)題,將微腔移動(dòng)到纖芯與包層交界處,形成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x,并成功應(yīng)用于折射率和牛血清蛋白質(zhì)濃度傳感。由于光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x對(duì)溫度響應(yīng)靈敏度不高,為了解決這個(gè)問(wèn)題,利用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備了回音壁模式微腔,應(yīng)用于溫度傳感并且具有較高的溫度靈敏特性。本論文的主要工作和研究成果如下:(1)系統(tǒng)介紹了光纖微腔傳感器的發(fā)展歷程,制備技術(shù)以及應(yīng)用。詳細(xì)闡述了飛秒激光濕法刻蝕技術(shù)的工作原理。另外,介紹了飛秒激光雙光子技術(shù)的研究進(jìn)展及工作原理。(2)設(shè)計(jì)并搭建了飛秒激光工系統(tǒng),該系統(tǒng)是由飛激光微加工系統(tǒng)和飛秒激光雙光子聚合微加工系統(tǒng)構(gòu)成,加工精度能達(dá)到10 nm。飛秒激光微加工系統(tǒng)具有逐點(diǎn)寫(xiě)光柵、逐線寫(xiě)光柵、燒蝕加工、改性加工等功能。飛秒雙光子聚合加工系統(tǒng)適用于加工微納聚合物結(jié)構(gòu)。(3)利用飛秒激光濕法刻蝕技術(shù)在光纖端面制備了同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)、光纖端面螺旋結(jié)構(gòu)、光纖端面陣列透鏡結(jié)構(gòu)。研究了不同的加工參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響,并觀察了這些器件的模場(chǎng),發(fā)現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)的衍射圖樣。這些光纖端面器件在光場(chǎng)調(diào)控、光整形、微照明等方面具有潛在的應(yīng)用。(4)利用飛秒激光濕法刻蝕技術(shù)制備了光纖微腔法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅?并分別研究其應(yīng)變、氣壓、折射率傳感特性。研究其應(yīng)力傳感特性,發(fā)現(xiàn)腔長(zhǎng)的變化對(duì)應(yīng)變靈敏度沒(méi)有影響,其靈敏度高達(dá)10.4 pm/με。研究氣壓的響應(yīng)特性,分析了氣壓靈敏的原因:氣壓的變化導(dǎo)致空氣折射率的變化和腔長(zhǎng)的變化,實(shí)驗(yàn)測(cè)得氣壓靈敏的為4.4 nm/MPa,與理論計(jì)算的值相吻合。同時(shí)還研究了升壓和降壓過(guò)程器件的回復(fù)性,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)回復(fù)性極好。此外,研究了其折射率傳感特性,當(dāng)液體進(jìn)入微腔后發(fā)現(xiàn)干涉光譜退化,損耗增加,分析其原因是腔壁的反射率降低,腔內(nèi)的傳輸損耗增加。(5)利用飛秒激光濕法刻蝕技術(shù)制備光纖微腔馬赫-曾德?tīng)柛缮鎮(zhèn)鞲衅?并成功應(yīng)用于牛血清蛋白質(zhì)濃度測(cè)試。在測(cè)試牛血清蛋白質(zhì)濃度前,需要檢驗(yàn)其折射率靈敏特性,確保樣品對(duì)液體折射率靈敏度到達(dá)一定要求。最終得到樣品折射率靈敏度為-10055 nm/RIU,探測(cè)極限為3.5×10-5 RIU。不同濃度的牛血清蛋白質(zhì)溶液在折射率方面表現(xiàn)出微小差異性,該傳感器通過(guò)識(shí)別不同濃度牛血清蛋白質(zhì)溶液的折射率變化來(lái)間接探測(cè)濃度的變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)得牛血清蛋白質(zhì)溶液的靈敏度為-38.9 nm/(mg/m L),探測(cè)極限為2.57×10-4 mg/m L。(6)利用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)在微納光纖表面固化環(huán)形WGM微腔,并研究了其溫度傳感特性。分析了飛秒激光濕法刻蝕技術(shù)制備環(huán)形微腔無(wú)法激勵(lì)WGM諧振的原因,其原因?yàn)槭?單模光纖纖芯耦合效率低,微腔壁的粗糙度較大導(dǎo)致散射損耗較大。而微納光纖具有較強(qiáng)的倏逝場(chǎng),耦合效率高。飛秒激光雙光子聚合加工的WGM諧振腔,有效的減小了環(huán)形腔的粗糙度,提高了環(huán)形腔的質(zhì)量。成功制備出不同直徑的環(huán)形WGM諧振腔,并且應(yīng)用于溫度傳感,靈敏度高達(dá)1.97 nm/℃,Q因子為1.9×103。
【圖文】：

如圖1.1(a)所示，液體可以通過(guò)微通道自由進(jìn)出微腔，從而可實(shí)現(xiàn)液體折射率的測(cè)量。此外，他們利用同樣的激光在光子晶體光纖側(cè)面加工了一個(gè)錐形的微腔，，如圖1.1(b)所示，這種微腔與外界空氣連接，可以用來(lái)測(cè)量溫度、折射率和應(yīng)變[9]。C. Chen 等人[10]利用 CO2激光在光纖表面制備了開(kāi)放式的 U 型微腔，如圖 1.1(c)所示，并研究了其折射率傳感特性。Wei 等人利用飛秒激光在光纖側(cè)面燒蝕出一個(gè)開(kāi)放式矩形腔，如圖 1.1(d)所示[11]。圖 1.1 (a) 157 nm 激光制備光纖端面微腔[8]；(b)157 nm 激光在光子晶體光纖中加工微腔[9]；(c)CO2激光制備開(kāi)放式微腔[10]；(d)飛秒激光制備開(kāi)放式微腔[11]

圖 1.2 飛秒激光輔助電弧放電技術(shù)制備光纖微腔：(a)三步法制備光纖氣泡[12]；(b)兩步法制備光纖氣泡[14]。(c)在雙芯光纖中的一個(gè)芯上加工開(kāi)放式微腔[15]；(d)飛秒激光輔助熱加工[18](2) 電弧放電熔接技術(shù)近些年，大量文獻(xiàn)報(bào)道利用電弧放電熔接技術(shù)制備各種各樣的光纖微腔結(jié)構(gòu)，
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN249;TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2612083