本文關(guān)鍵詞：基于耦合理論的微結(jié)構(gòu)光纖及其應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： 微結(jié)構(gòu)光纖 寬帶偏振分束器 低損耗柔性THz光纖 偽色彩THz成像

【摘要】：微結(jié)構(gòu)光纖以其獨(dú)特的特性和靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度,受到國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注,是目前特種光纖領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著微結(jié)構(gòu)光纖制作技術(shù)的不斷完善,各種新型微結(jié)構(gòu)光纖的研制速度加快,也為開展微結(jié)構(gòu)光纖的應(yīng)用研究提供了很好的機(jī)遇。本學(xué)位論文是在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“系列超寬帶雙芯光子晶體光纖以及相關(guān)器件的研究”、北京交通大學(xué)優(yōu)秀博士生創(chuàng)新基金和澳洲科學(xué)委員會項(xiàng)目的共同資助下,結(jié)合目前超高速大容量光網(wǎng)絡(luò)及太赫茲(Terahertz,THz)技術(shù)的發(fā)展需求,從制作及應(yīng)用可行性角度出發(fā),開展了超寬帶微結(jié)構(gòu)雙芯光纖偏振分束器和低損耗柔性THz微結(jié)構(gòu)光纖的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作,并基于所研制的THz光纖,開展了THz成像技術(shù)研究。取得的主要創(chuàng)新成果如下：1. 提出了一種超寬帶微結(jié)構(gòu)雙芯光纖偏振分束器。利用摻氟芯降低耦合長度對波長的敏感性,在微結(jié)構(gòu)雙芯光纖中引入兩個摻氟芯和一個橢圓空氣孔;以中心橢圓孔作調(diào)制芯,利用幾何雙折射增大兩偏振態(tài)耦合長度的差異,并控制兩個摻氟芯光場之間的耦合,實(shí)現(xiàn)了超寬帶偏振分束功能。通過結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)優(yōu)化,可實(shí)現(xiàn)波長從1.23/μm到1.63μm高達(dá)400nm的工作帶寬,范圍覆蓋了O, E, S, L和U通信波段,在1.55μm波長處,消光比達(dá)到-35dB。由于只有一個橢圓孔,比現(xiàn)有的全橢圓空氣孔結(jié)構(gòu)和矩形晶格排布結(jié)構(gòu)更加容易實(shí)現(xiàn)。此外,雙芯間隔17.3/μm,大于單模光纖的纖芯直徑,便于同單模光纖和保偏光纖進(jìn)行接續(xù),且纖芯模場與單模光纖的模場匹配度高,接續(xù)損耗僅為0.38dB,與現(xiàn)有光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性。2. 提出了一種改進(jìn)型超寬帶微結(jié)構(gòu)雙芯光纖偏振分束器結(jié)構(gòu),以小空氣孔線陣構(gòu)成的微芯代替中心橢圓空氣孔,降低了制作難度。該偏振分束器可以實(shí)現(xiàn)300nm的工作帶寬,模場面積同單模光纖更加匹配,與單模光纖的接續(xù)損耗僅為0.04dB。實(shí)驗(yàn)中采用二次拉絲法成功拉制出一種微芯含有三個小空氣孔的雙芯微結(jié)構(gòu)光纖,驗(yàn)證了微芯結(jié)構(gòu)的制作可行性。3.提出并研制出一種基于Zeonex材料的管狀包層結(jié)構(gòu)的空芯THz光纖,有效地降低了光纖損耗,提高了光纖柔性�？刂泼�(xì)管管壁厚度,可調(diào)整THz光纖的傳輸窗口。包層毛細(xì)管管壁厚度為92μm時,在0.1-1.5THz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了一個從0.6-1.45THz超寬傳輸窗口,最低損耗低于0.1dB/m。包層管壁厚度為378μm時,在0.1-1THz的范圍內(nèi)有三個低損耗傳輸窗口,損耗均小于5dB/m,其中兩個高頻窗口的損耗僅為1dB/m。該光纖可實(shí)現(xiàn)彎曲半徑為12.7cm的彎曲,是目前柔性最好的THz光纖。4.提出了一種偽色彩THz成像方法。使用三個不同頻率區(qū)間的積分代表RGB三基色,通過一次成像即可獲得樣品的彩色THz圖像。解決了灰度成像需要進(jìn)行頻率掃描,成像速度慢的問題,并提高了THz圖像辨識度及檢測速度。成像系統(tǒng)的空間分辨率可以達(dá)到0.4mm,足以滿足快速安檢的應(yīng)用需求。5. 首次實(shí)現(xiàn)了可移動的THz成像。將自制的包層毛細(xì)管管壁厚度為378μm的低損耗柔性THz光纖作為光纖探頭應(yīng)用到THz成像系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了可移動成像,打破了傳統(tǒng)THz成像系統(tǒng)的空間限制。同時,應(yīng)用偽色彩成像原理,將光纖的三個傳輸窗口定義為RGB三基色的頻率積分區(qū)間,構(gòu)成偽色彩THz成像系統(tǒng)。利用成像系統(tǒng)對樣品進(jìn)行偽色彩成像,THz圖像中可通過顏色清晰地區(qū)分出背景、塑料容器和容器內(nèi)的兩種白色粉末,研究成果對擴(kuò)展THz成像技術(shù)的應(yīng)用范圍具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：微結(jié)構(gòu)光纖 寬帶偏振分束器 低損耗柔性THz光纖 偽色彩THz成像
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN253
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 緒論13-31
• 1.1 微結(jié)構(gòu)光纖概述14-19
• 1.1.1 微結(jié)構(gòu)光纖的分類15-16
• 1.1.2 微結(jié)構(gòu)光纖的發(fā)展與應(yīng)用16-19
• 1.2 基于微結(jié)構(gòu)光纖的光纖偏振分束器19-23
• 1.2.1 微結(jié)構(gòu)雙芯光纖偏振分束器的發(fā)展與現(xiàn)狀20-22
• 1.2.2 基于微結(jié)構(gòu)光纖的偏振分束器存在的問題22-23
• 1.3 微結(jié)構(gòu)THz波導(dǎo)的研究進(jìn)展23-28
• 1.3.1 金屬結(jié)構(gòu)THz波導(dǎo)23-24
• 1.3.2 實(shí)芯聚合物微結(jié)構(gòu)THz光纖24-25
• 1.3.3 空芯聚合物微結(jié)構(gòu)THz光纖25-28
• 1.4 本文的主要工作28-31
• 2 超寬帶微結(jié)構(gòu)雙芯光纖及偏振分束器的研究31-65
• 2.1 引言31-33
• 2.2 平行對稱雙芯光纖中的模式耦合理論33-43
• 2.2.1 耦合模方程33-35
• 2.2.2 耦合模方程的解35-38
• 2.2.3 對稱雙芯光纖的模式耦合特性38-41
• 2.2.4 雙芯光纖的偏振分束器原理41-43
• 2.3 超寬帶微結(jié)構(gòu)雙芯光纖偏振分束器43-56
• 2.3.1 微結(jié)構(gòu)雙芯光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)44-46
• 2.3.2 光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對光纖耦合特性的影響46-51
• 2.3.3 最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分束器性能51-53
• 2.3.4 結(jié)構(gòu)容差分析53-56
• 2.4 基于改進(jìn)型微結(jié)構(gòu)雙芯光纖的偏振分束器56-62
• 2.4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與性能的變化56-59
• 2.4.2 微芯結(jié)構(gòu)的制作容差分析59-61
• 2.4.3 微芯結(jié)構(gòu)雙芯光纖的制作探索61-62
• 2.5 本章小結(jié)62-65
• 3 低損耗柔性THz微結(jié)構(gòu)光纖65-95
• 3.1 引言65-66
• 3.2 管狀包層結(jié)構(gòu)的THz光纖66-77
• 3.2.1 限制耦合導(dǎo)光機(jī)理67-68
• 3.2.2 低損耗Zeonex材料的光學(xué)特性68-71
• 3.2.3 管狀包層結(jié)構(gòu)空THz光纖的結(jié)構(gòu)與特性71-74
• 3.2.4 管狀包層厚度對光纖性能的影響74-75
• 3.2.5 管狀包層管數(shù)對光纖性能的影響75-77
• 3.3 低損耗柔性THz光纖設(shè)計(jì)與性能分析77-81
• 3.3.1 低損耗柔性THz光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析77-79
• 3.3.2 光纖的彎曲特性研究79-81
• 3.4 低損耗柔性THz光纖的制作與性能測試81-86
• 3.4.1 低損耗柔性THz光纖制作82-83
• 3.4.2 低損耗柔性THz光纖的傳輸譜線和色散測試83-85
• 3.4.3 低損耗柔性THz光纖的損耗測量85-86
• 3.5 新型超材料包層THz光纖的實(shí)驗(yàn)研究86-93
• 3.5.1 超材料的制作87-89
• 3.5.2 超材料包層THz光纖的結(jié)構(gòu)與制作89-90
• 3.5.3 超材料包層THz光纖的性能測試90-92
• 3.5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論92-93
• 3.6 本章小結(jié)93-95
• 4 柔性THz微結(jié)構(gòu)光纖在偽色彩THz成像系統(tǒng)中的應(yīng)用95-115
• 4.1 引言95-96
• 4.2 偽色彩THz成像系統(tǒng)96-104
• 4.2.1 THz-TDS系統(tǒng)及THz成像原理96-98
• 4.2.2 偽色彩THz成像的實(shí)現(xiàn)方法98-100
• 4.2.3 成像實(shí)驗(yàn)及成像效果100-103
• 4.2.4 成像系統(tǒng)的空間分辨率103-104
• 4.3 柔性THz光纖在成像系統(tǒng)中的應(yīng)用104-113
• 4.3.1 反射式THz-TDS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)105-106
• 4.3.2 柔性THz光纖透射譜與色彩區(qū)間定義106-107
• 4.3.3 移動成像實(shí)驗(yàn)及成像效果107-109
• 4.3.4 基于柔性THz光纖的偽色彩成像系統(tǒng)分辨率研究109-113
• 4.4 本章小結(jié)113-115
• 5 結(jié)束語115-117
• 5.1 本論文的研究成果總結(jié)115-116
• 5.2 下一步擬開展的工作116-117
• 參考文獻(xiàn)117-127
• 作者簡歷及攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果127-131
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集131

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