本文關(guān)鍵詞：光纖像切分器相關(guān)器件的設(shè)計(jì)與研究

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【摘要】：天文光子學(xué)是天文學(xué)與光子學(xué)的交叉學(xué)科,研究目的是將光技術(shù)應(yīng)用于天文觀測(cè)中。光譜觀測(cè)是天文觀測(cè)的重要手段之一,高分辨率光譜儀不可或缺。隨著光譜儀分辨率不斷提高,入射光信號(hào)的利用率卻不斷下降。像切分器作為一種光學(xué)器件為提高光效率發(fā)揮了重要的作用,它將天文望遠(yuǎn)鏡采集到的星像切分成幾份,然后輸入到光譜儀的狹縫中,有效的提高了光信號(hào)的利用率。傳統(tǒng)的像切分器由透鏡組和反射鏡組制成,對(duì)各部件的加工精度要求較高,而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積偏大,不易安裝。光纖作為一種新型的光傳輸媒介被提出后,以其獨(dú)特的性能受到各界研究人員的青睞,也為像切分器開拓了新的發(fā)展空間。光纖型像切分器不僅制作容易,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝便捷,而且由于光纖種類繁多,可根據(jù)實(shí)際需求,選擇合適類型的光纖制作器件,以實(shí)現(xiàn)不同的功能。本文根據(jù)像切分器的工作原理,設(shè)計(jì)了一種新型光纖像切分器。該像切分器包含三個(gè)部分——光纖光子燈籠、光纖刷和二者之間的連接光纖。光纖光子燈籠與光纖刷均經(jīng)過拉錐制成,光纖光子燈籠錐區(qū)末端芯層為圓形,用于接收望遠(yuǎn)鏡的出射光信號(hào),光纖刷錐區(qū)末端芯層為一字排列多芯結(jié)構(gòu),用于將光信號(hào)輸入光譜儀。本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括:1.基于光纖光子燈籠和光纖刷的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),研究了錐形緩變光纖的模式理論和多芯光纖的耦合理論。對(duì)于錐形光纖器件,當(dāng)錐區(qū)變化的足夠緩慢時(shí),可以用局部模式對(duì)錐區(qū)中的傳播模式進(jìn)行近似,局部模式功率的變化可以忽略。當(dāng)波導(dǎo)中包含多根光纖時(shí),模式在各光纖中耦合,耦合強(qiáng)度隨光纖的歸一化頻率和光纖間距的變化而變化。在錐區(qū)中,嵌入光纖的直徑和間距均發(fā)生改變,因而耦合效應(yīng)在整個(gè)錐區(qū)中也發(fā)生變化,越靠近錐區(qū)細(xì)端,耦合越明顯。2.本文設(shè)計(jì)并制作了大熱區(qū)可移動(dòng)面型火焰拉錐系統(tǒng),用于將光纖預(yù)制棒拉錐成特殊的結(jié)構(gòu),例如光纖光子燈籠、光纖刷等。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是加熱器可移動(dòng),且移動(dòng)速度和距離可調(diào),從而實(shí)現(xiàn)了可調(diào)式大熱區(qū)加熱。通過大熱區(qū)加熱,顯著延長(zhǎng)了錐區(qū)長(zhǎng)度,減小了器件的傳輸損耗。加熱器的出氣孔采用線型設(shè)計(jì),七個(gè)直徑為0.5mm的氣孔直線排列,產(chǎn)生面型火焰,一方面降低了加熱火焰的寬度,利于對(duì)錐區(qū)形狀的控制,另一方面保證了火焰的長(zhǎng)度,能夠加熱不同直徑的預(yù)制棒。通過控制丁烷與氧氣的流量比例可實(shí)現(xiàn)不同的加熱溫度,以適應(yīng)不同的拉錐需求。3.設(shè)計(jì)并制作了一種特殊的光纖光子燈籠,采用大芯徑塑料包層光纖作為嵌入光纖。該特種光纖的包層可以溶于丙酮溶液,而纖芯完好無損。將光纖包層除去后進(jìn)行嵌入并拉錐,可保證拉錐形成的錐區(qū)末端芯層折射率分布均勻,從而使光場(chǎng)均勻分布,克服了嵌入單模光纖后錐區(qū)末端光場(chǎng)不均勻的缺陷。4.設(shè)計(jì)并制作了新型的光纖器件——光纖刷,可用于向光譜儀狹縫中輸入光信號(hào)。該器件是將七根裸光纖嵌入光子晶體光纖預(yù)制棒的一排空氣孔中,經(jīng)熔融拉錐形成,錐區(qū)末端具有一字排列的七芯結(jié)構(gòu)。模式在錐區(qū)傳播的過程中,將在各嵌入光纖之間進(jìn)行耦合,從而實(shí)現(xiàn)圓形模場(chǎng)向條形模場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:1.設(shè)計(jì)并制作了大熱區(qū)可移動(dòng)面型火焰拉錐系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了可調(diào)式大熱區(qū)加熱,可有效的控制器件錐區(qū)的長(zhǎng)度及形狀。2.使用大芯徑塑料包層光纖作為嵌入光纖制作了特殊結(jié)構(gòu)的光纖光子燈籠,在錐區(qū)末端實(shí)現(xiàn)了均勻的光場(chǎng)分布。3.設(shè)計(jì)并制作了新型的光纖器件——光纖刷,與光纖光子燈籠組合使用,實(shí)現(xiàn)了圓形模場(chǎng)向條形模場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TH75;TN253

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