發(fā)布時(shí)間：2020-11-21 12:31

　　 光纖偏振器是一種基礎(chǔ)光纖無(wú)源器件。自上世紀(jì)80年代至今,很多高性能的光纖偏振器已經(jīng)被研制出來(lái)。然而傳統(tǒng)的光纖偏振器具有固定的偏振方向和消光比,它們通常作為輔助器件被用于光纖光學(xué)系統(tǒng),作為敏感器件的報(bào)道非常少見(jiàn)。設(shè)計(jì)一種偏振度和偏振方向連續(xù)可調(diào)的光纖偏振器,并把其作為敏感器件開(kāi)展應(yīng)用研究,具有重要意義。磁流體是一種新型功能材料,具有多種磁光特性,可實(shí)現(xiàn)對(duì)光偏振態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。本文基于磁流體設(shè)計(jì)可調(diào)光纖偏振器,并嘗試探索其應(yīng)用領(lǐng)域。光纖馬赫-曾德干涉儀以光纖為傳輸介質(zhì)搭建光路,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作靈活,被廣泛應(yīng)用于傳感器設(shè)計(jì)。然而,其制作和應(yīng)用仍然面臨許多障礙,例如光譜復(fù)雜、分辨率低、再現(xiàn)性差、操作難度高、信號(hào)采集系統(tǒng)昂貴等。為解決這些難題,本文設(shè)計(jì)一種基于寬帶光源的分波前光纖干涉儀,并把其應(yīng)用于折射率測(cè)量。此外,本文還開(kāi)發(fā)一種激光干涉儀的實(shí)時(shí)正交解調(diào)方案,用于相位解包裹,實(shí)現(xiàn)高精度距離測(cè)量。具體研究?jī)?nèi)容如下:1.基于磁流體與微納光纖的光纖偏振器設(shè)計(jì)。在微納光纖表面具有很強(qiáng)的三維軸對(duì)稱(chēng)倏逝波,便于從各個(gè)方向?qū)ξ⒓{光纖中傳播的光波進(jìn)行調(diào)制。本文將微納光纖浸入磁流體,并沿垂直于光纖方向施加調(diào)制磁場(chǎng),設(shè)計(jì)一種在線可調(diào)光纖偏振器。偏振調(diào)制原理是基于施加磁場(chǎng)后磁流體的磁光二向色性,及磁性納米顆粒在微納光纖周?chē)姆菆A對(duì)稱(chēng)分布。該可調(diào)光纖偏振器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光偏振度和偏振方向的連續(xù)調(diào)制。研究發(fā)現(xiàn),較細(xì)的微納光纖雖然具有較大的插入損耗,但它能夠產(chǎn)生較大的光偏振度;施加某些強(qiáng)度的磁場(chǎng)后,光偏振度的增加會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間,然后達(dá)到磁飽和,單純定義磁流體的飽和磁場(chǎng)沒(méi)有意義;高濃度的磁流體,以及強(qiáng)磁場(chǎng),具有強(qiáng)的光偏振調(diào)制能力,但是會(huì)引入更大的光功率損耗。當(dāng)磁場(chǎng)方向從0~o變化到360~o時(shí),光纖偏振調(diào)制器顯示出很好的方向響應(yīng)。2.基于磁流體與D形光纖的光纖偏振器設(shè)計(jì)。由于微納光纖的脆弱性,導(dǎo)致其易碎、易斷,操作難度大,難以重復(fù)利用。相對(duì)于微納光纖,D形光纖更具魯棒性。在D形光纖拋光面上也有很強(qiáng)的倏逝波,便于對(duì)光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制。本文將D形光纖浸入磁流體,并施加平行于光纖拋光表面的磁場(chǎng),設(shè)計(jì)一種在線魯棒光纖偏振器。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明磁流體的磁光二向色性對(duì)D形光纖的光偏振調(diào)制起關(guān)鍵作用。當(dāng)磁流體膜被放置在外磁場(chǎng)中固化時(shí),利用顯微鏡可以觀察到由磁性納米顆粒簇組成的規(guī)則線。在光偏振調(diào)制過(guò)程中,平行于磁場(chǎng)偏振的倏逝場(chǎng)比其正交分量具有更大的損耗。通過(guò)研究影響光偏振調(diào)制的因素發(fā)現(xiàn):具有寬拋光面的D形光纖的偏振易于調(diào)制;高濃度磁流體、大磁場(chǎng)具有強(qiáng)的能力來(lái)調(diào)制D形光纖偏振;此外還通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了光偏振調(diào)制的時(shí)間響應(yīng)。3.基于磁流體與微納光纖的矢量磁場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)。把微納光纖浸入磁流體,基于光偏振態(tài)的檢測(cè),設(shè)計(jì)一種矢量磁場(chǎng)傳感器。研究發(fā)現(xiàn),如果磁場(chǎng)強(qiáng)度較大,則光偏振調(diào)制的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),不適合時(shí)變磁場(chǎng)的測(cè)量。只有當(dāng)待測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足特定閾值條件時(shí),光偏振調(diào)制才有較好的瞬態(tài)響應(yīng)。在磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足檢測(cè)閾值的條件下,磁滯對(duì)磁場(chǎng)傳感器的影響可以忽略。磁場(chǎng)傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向具有良好的取向響應(yīng)。但是需要指出,在磁場(chǎng)方向檢測(cè)過(guò)程中,存在180~o的不確定性。因?yàn)樵摯艌?chǎng)傳感器不能區(qū)分磁場(chǎng)方向。與磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感不同,如果檢偏器旋轉(zhuǎn)速度足夠快,磁場(chǎng)方向的測(cè)量不受檢測(cè)閾值的限制。矢量磁場(chǎng)傳感器的信號(hào)分析系統(tǒng)由一個(gè)偏振分束器和兩個(gè)光電探測(cè)器組成,無(wú)需精密且昂貴的光譜分析設(shè)備,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉。4.基于磁流體與微納光纖的免標(biāo)記生物傳感器設(shè)計(jì)。蛋白質(zhì)可以誘導(dǎo)功能化磁性納米顆粒的自組裝,形成較大的團(tuán)簇。該團(tuán)簇在基液中的移動(dòng)速度小于單個(gè)磁性納米顆粒,當(dāng)施加或去除外磁場(chǎng)時(shí),磁流體對(duì)微納光纖的偏振調(diào)制響應(yīng)時(shí)間將會(huì)變長(zhǎng)。本文基于功能化磁流體對(duì)微納光纖偏振調(diào)制響應(yīng)時(shí)間的變化,設(shè)計(jì)一種免標(biāo)記光纖生物傳感器。以牛血清蛋白為例開(kāi)展生物傳感實(shí)驗(yàn)。偏振調(diào)制得到的最大偏振度p_(max),及最大和最小偏振度之差Δp,都隨著牛血清蛋白濃度的增加而單調(diào)減小。可以通過(guò)檢測(cè)p_(max)和Δp來(lái)獲取牛血清蛋白的濃度。由于無(wú)需對(duì)微納光纖表面進(jìn)行功能化,可極大降低實(shí)驗(yàn)操作難度,簡(jiǎn)化生物傳感過(guò)程。信號(hào)采集系統(tǒng)無(wú)需借助昂貴的光譜分析設(shè)備,成本低廉,響應(yīng)速度快。5.分波前魯棒光纖馬赫-曾德干涉儀研究。在兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)的格林透鏡光纖準(zhǔn)直器之間構(gòu)建一個(gè)空腔;把一片PET膜插入該空腔,從第一個(gè)光纖準(zhǔn)直器出射的高斯光束的波前被分成兩部分;第二個(gè)光纖準(zhǔn)直器會(huì)聚該高斯光束進(jìn)入單模光纖,構(gòu)造出具有魯棒性的分波前光纖馬赫-曾德干涉儀。干涉儀的有效光譜寬度大于390nm,足以構(gòu)建敏感光纖傳感器。COMSOL Multiphysics仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該馬赫-曾德干涉儀基于多光束干涉。由于插入損耗很小,當(dāng)光譜儀的采樣精度為0.1nm時(shí),仍然獲得了穩(wěn)定性、重復(fù)性很好的干涉條紋。從而確保基于該干涉儀的光纖傳感器具有高分辨率。當(dāng)鹽水的鹽度增加千分之一時(shí),干涉儀條紋中,兩個(gè)相鄰的諧振波長(zhǎng)分別移動(dòng)-0.78nm、-0.81nm,顯示出高的靈敏度。該干涉儀可被廣泛用于檢測(cè)物理,化學(xué)或生物量。6.基于拐點(diǎn)檢索進(jìn)行相位解包裹的激光測(cè)距儀研究。提出一種基于波長(zhǎng)掃描干涉儀的實(shí)時(shí)距離測(cè)量方案。基于總結(jié)得到的兩個(gè)波形變換規(guī)律,把干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換成初步變換信號(hào);然后利用不連續(xù)點(diǎn)判斷法、相鄰零點(diǎn)距離判斷法,這兩種互補(bǔ)的方法,檢索干涉信號(hào)的拐點(diǎn);基于初步變換信號(hào)及檢索到的拐點(diǎn),構(gòu)造正交信號(hào)。用正交解調(diào)算法解調(diào)相移之后,根據(jù)中心波長(zhǎng)及波長(zhǎng)調(diào)制深度計(jì)算待測(cè)距離。當(dāng)測(cè)量毫米量級(jí)的距離時(shí),測(cè)量結(jié)果在一小時(shí)內(nèi)波動(dòng)約為微米量級(jí)。相比于PGC解調(diào)方案,本方案的測(cè)量復(fù)雜性和成本都極大降低,同時(shí)仍然可以獲得理想的測(cè)量結(jié)果。
【學(xué)位單位】：曲阜師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TH744.3;TN253
【部分圖文】：

圖 1.1 側(cè)面鍍制金屬膜的 D 型光纖偏振器原理圖[6]。拋磨造成 D 型光纖的傳輸損耗，1983 年，日本的 T. Hosak光纖，芯的一側(cè)利用純石英作為包層，另一側(cè)利用硼硅酸鹽，硼硅酸鹽以比純石英快幾倍的速度被蝕刻掉。制作的兩nm 處，消光比分別為 22.2 dB、36.6 dB，插入損耗分別為 4高[7]。1987 年美國(guó)的 R. B. Dyott 等人，利用腐蝕法制作膜制作光纖偏振器，實(shí)現(xiàn) 39dB 的消光比，而插入損耗僅為in Ma與Shiao-Min Tseng將多根單模光纖粘在刻有 V形槽極小插入損耗的 D 型光纖的批量制作，然后利用液晶作到的消光比高于 60dB[9]。

圖 1.1 側(cè)面鍍制金屬膜的 D 型光纖偏振器原理圖[6]。免拋磨造成 D 型光纖的傳輸損耗，1983 年，日本的 T. Hosaka 等同芯光纖，芯的一側(cè)利用純石英作為包層，另一側(cè)利用硼硅酸鹽玻劑后，硼硅酸鹽以比純石英快幾倍的速度被蝕刻掉。制作的兩個(gè)290nm 處，消光比分別為 22.2 dB、36.6 dB，插入損耗分別為 4.2dB大提高[7]。1987 年美國(guó)的 R. B. Dyott 等人，利用腐蝕法制作 D 型制銦膜制作光纖偏振器，實(shí)現(xiàn) 39dB 的消光比，而插入損耗僅為 0.su-Pin Ma與Shiao-Min Tseng將多根單模光纖粘在刻有 V形槽的硅具有極小插入損耗的 D 型光纖的批量制作，然后利用液晶作為包驗(yàn)得到的消光比高于 60dB[9]。

D 形光纖拋磨面覆蓋（a）單石墨烯/ PMMA 復(fù)合層；（b）雙石墨烯/ PMMA 復(fù)振器。（c）偏振器縱向結(jié)構(gòu)；（d）偏振器橫截面[12]。指出的是，雖然前文所述這些基于 D 型光纖的偏振器，實(shí)現(xiàn)了很高的有一個(gè)共同特點(diǎn)，即消光比與起偏振方向都具有固定值，無(wú)法進(jìn)行靈圖 1.4 基于液晶與側(cè)面拋磨光纖的光控衰減器[13]。 年暨南大學(xué)與臺(tái)灣的國(guó)立暨南大學(xué)合作，把具有光敏特性的液晶覆蓋，設(shè)計(jì)出一種光控衰減器[13]，如圖 1.4 所示。該衰減器對(duì)不同方向的
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2 李雪梅;王衛(wèi)華;;消色差復(fù)合圓偏振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];閩江學(xué)院學(xué)報(bào);2008年05期

3 胡永明,廖延彪,陳哲,孟洲,倪明;雙偏振結(jié)構(gòu)保偏光纖偏振器的研制[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2001年06期

4 許福運(yùn),李國(guó)華;退偏振器研究的歷史現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J];光學(xué)儀器;1995年02期

5 許福運(yùn),李敏;方解石單板退偏振器[J];光電子·激光;1990年03期

6 李國(guó)華;許福運(yùn);;石英單板退偏振器[J];曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1990年02期

7 許福運(yùn);譚均明;;方解石單板退偏振器研究[J];山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào);1991年01期

8 賈正根;;用偏振器作基板的液晶顯示板[J];光電子學(xué)技術(shù);1988年03期

9 洪偉年;;另一種型式的光纖偏振器[J];光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù);1988年01期

10 J. R. Feth ;G. L. Chang;羅先和;;金屬被覆截止型光纖偏振器[J];應(yīng)用光學(xué);1989年03期

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10 郭慶;金屬光柵偏振器設(shè)計(jì)及其工藝仿真[D];大連理工大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2893003