严格耦合波理论的亚波长金属光栅偏振器设计

为了有效缩小光纤光栅尺寸,提高光电转换间的耦合效果。文章在基于光纤光栅的基本结构的基础上,给出了在光纤光栅中插入四、五层金属光栅的实现方法。该方法基于表面等离子体激元(surfaceplasmonpolaritons,spps)的光纤布拉格光栅,可以把原有的光纤光栅尺寸缩小一个量级,而且不增加光在光子器件中的损耗。仿真分析表明,spps在光传播过程中可起到能量补偿作用,并可产生增透现象。

为了拓宽光纤耦合器的使用范围,开发光纤耦合器的新功能,采用熔锥技术制作波长敏感耦合器,该耦合器在分光的同时对波长敏感。通过耦合理论验证实验结果,实验数据与理论值相符合。实验中得到波长灵敏度最大值为17.86%/nm的耦合器。采用拉锥工艺制作波长敏感耦合器工艺简单,耦合比峰值对应波长控制易于实现。该耦合器可用于光纤光栅布拉格波长漂移解调。令待解调光纤光栅布拉格波长与耦合器波长灵敏度最大值对应的波长一致,当波长发生漂移时,耦合器输出耦合比发生变化。自制的波长敏感耦合器实现了对布拉格波长为1566.71nm光纤光栅波长漂移的解调,波长漂移1.80nm,耦合比变化20.34%。此种解调方式具有光路简单,易于与光纤匹配的优点,可以应用在大型建筑中光纤光栅的健康监测。

第1页共10页 竭诚为您提供优质文档/双击可除 光栅测波长实验报告 篇一：光栅衍射实验报告 4.10光栅的衍射 【实验目的】 (1)进一步熟悉分光计的调整与使用; (2)学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理 和方法;(3)加深理解光栅衍射公式及其成立条件。 【实验原理】 衍射光栅简称光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散 的一种光学元件。它实际上是一组数目极多、平行等距、紧 密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。透 射光栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的， 被刻划的线是光栅中不透光的间隙。而平面反射光栅则是在 磨光的硬质合金上刻许多平行线。实验室中通常使用的光栅 是由上述原刻光栅复制而成的，一般每毫米约250~600条线。 由于光栅衍射条纹狭窄细锐，分辨本领比棱镜高，所以常用 光栅作摄谱仪、单色仪等光学仪器的分光元件，用来测定谱

应用模匹配法和空间floquet理论,对金属光栅的散射特性进行了详尽分析,并且得到了矩形光栅圆极化器的尺寸。然后,对光栅结构进行了优化,得到了双u型金属光栅圆极化器,其轴比1.2范围内的带宽是矩形光栅带宽的3倍,功率容量为矩形光栅的15倍。最后,在cst软件中建立模型,仿真结果显示,中心频率上轴比为1.07,很好地实现了右旋极化转变。

推导并验证了非啁啾取样光纤布拉格光栅(sfbg)反射谱中反射峰值波长的表达式。基于种子光栅中心波长对应的折射率调制深度和取样光纤布拉格光栅折射率调制函数的傅里叶级数展开式,提炼出取样光纤布拉格光栅的折射率调制深度和各阶光栅周期,从而导出其反射峰值波长的表达式。由于考虑了占空比、取样周期等取样光纤布拉格光栅的结构参量,因而表达式能够描述反射峰的分布。仿真实验中,不同占空比或取样周期下计算出的反射峰值波长、信道间隔符合数值反射谱。该表达式既适用于均匀取样光纤布拉格光栅,也适用于交流切趾和交直流切趾取样光纤布拉格光栅。

金属线栅偏振器是一种新兴的基于微纳结构的光学偏振器件,体积小、性能高、易集成.但在紫外和可见光波段,通过缩小线栅的特征尺寸来提高消光比的方法已经受到纳米制作工艺的限制,因此需要新的结构来提高其偏振特性.双层金属线栅结构仅在特定波段上提高器件的偏振特性.在此基础上,提出一种间距可调谐的金属线栅偏振器结构,通过调谐两层金属线栅之间的距离来确保偏振器极高的消光比和很强的透过率.利用virtuallab软件的傅里叶模式方法,计算了可调谐型金属线栅偏振的透过率和消光比.数值仿真结果表明,双层可调谐型金属线栅结构在整个紫外、可见光波段极大地提高了透射光的消光比和透过率.

为了研究斜入射衍射光栅对波长测量的影响,采用了平行光斜入射衍射光栅,得出了平行光斜入射角越大,其波长误差也就越大,并推导出了入射角与波长误差的经验公式,其研究结果将有利于对测量波长的矫正。

由于各种光噪声的影响,基于可调谐法布里-珀罗(f-p)滤波器的光栅解调仪解调精度不够高,光路噪声通常会带来10pm量级的波长测量误差。为了提高布喇格波长检测精度,采用了在解调过程中对光纤光栅反射谱进行高斯拟合,从而消减噪声影响的方法。实验发现,拟合后中心波长的测量误差小于2.5pm,温度测量值与实际温度之间的标准方差为0.3℃。结果表明,在有害噪声信号不是非常大的情况下,该方法能有效提高波长检测精度。

为了增大光纤中光信号的传输效率,在光纤中嵌入金属光栅是一种可行的做法。文中通过对嵌入不同材料的五层金属光栅光纤的反射率的分析,给出了在金属光栅中嵌入材料的选择方法。仿真分析结果显示,ag作为一种优良的等离子材料,是最适宜作为嵌入的金属光栅材料。

线胀系数是表征物质膨胀特性的重要参数。介绍了用光栅尺和恒温控制的方法来测量金属的线胀系数的原理、方法和实验装置,给出了测定结果。结果表明,该方法减小了实验误差,得到了预期的结果,体现了新型传感器在实验技术中应用的优点。

在双光栅测量音叉微小振幅的理论基础上,利用静光栅纵向位移对金属热膨胀系数进行测量.本文给出了动态双光栅测量金属热膨胀系数的理论拓展与实验结果.

基于严格耦合波理论,分析了金属介质膜光栅的衍射性能,以-1级衍射效率为评价函数,研究了表面浮雕结构分别为hfo2和sio2材料的金属介质膜光栅,获得衍射效率优于99%的结构参数。数值计算表明,当顶层光栅结构为hfo2和sio2的槽深分别为80nm和225nm时,在1053nm处获得接近100%的衍射效率。

对基于应力、位移、空间角度的多参数可调谐的光纤光栅(fbg)波长调谐进行了理论分析和实验研究。根据推导出的波长调谐公式,数值模拟了光纤光栅波长受应力、位移、空间角度时的多种调谐关系。在模拟分析的基础上,设计了一种基于应力、位移、空间角度的多参数可调谐的光纤光栅波长调谐器,并进行了实验验证。实验表明基于应力、位移的调谐为线性调谐,各光栅调谐线性拟合度均达0.9975以上;基于角度的调谐近似满足正(余)弦调谐。理论分析和实验测量具有良好的一致性。

研究了单模光纤布拉格光栅的偏振相关损耗(pdl)特性。运用耦合模理论和琼斯(jones)矩阵提出了反射光的有效偏振相关损耗(pdleff),并模拟了其随光栅参数和双折射量的变化性质。光栅反射光的偏振相关损耗在反射谱的带边处明显地表现出来,特别是带边比较陡峭时。结果表明,光栅的有效偏振相关损耗明显地依赖于光栅的结构参数和双折射量。光栅的有效偏振相关损耗随光栅长度和调制深度的增加急剧增大。对于给定光栅长度和调制深度的光栅,光栅双折射量小于2×10-5时,光栅的有效偏振相关损耗随双折射的增大迅速增大;光栅双折射量大于2.5×10-4时,光栅的有效偏振相关损耗的两个主峰的宽度变大并在其上有子峰,随双折射的继续增大,两主峰间距增大而子峰变小。实验结果与理论模拟基本吻合。

为了实现多波长激光输出,提出了一种改进的多波长主动锁模光纤环形激光器,采用集成级联采样光纤光栅进入激光腔形成稳定的多种波长激光的方法,进行了理论分析和实验验证。结果表明,双环形腔结构对于所有波长激光,其腔长度是一致的,从而可以用相同的锁模信号实现所有波长的同步锁模。实验中光纤环形激光器成功实现了以1.6nm为间隔的波长多达14个;它的输出功率大于0dbm,边模抑制比约30db,最高模式锁模频率为1.05ghz,输出脉冲序列的脉宽是216ps。这一结果对光纤传输系统设计是有帮助的。

根据单模光纤模激励理论,论述了熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理,得出了耦合器耦合比和波长的关系,并对保偏光纤耦合器的耦合比、波长与温度的关系进行了实际测试。

光纤布拉格光栅(fbg)传感器是智能金属结构首选的信息传输与传感的载体,埋入金属材料内部的fbg传感器必须要经过适当保护,金属镀层是最有效的保护方法之一。fbg经过镀前预处理,通过化学镀方法可获得均匀的金属保护镀层。针对金属保护镀层,应用弹性力学基本原理分析了由于镀层与fbg传感器的热膨胀系数不同而产生的热应力,建立了镀层厚度对fbg温度传感性能影响的数学模型。镀镍fbg的升温和降温传感实验表明,升温时的实际温度灵敏度系数与模型值之间误差为6.22%,降温时的实际温度灵敏度系数与模型值之间误差为6.75%。与裸fbg相比,化学镀镍后的fbg温度灵敏度系数提高1倍多。结果表明该温度模型从理论上解释了镀层金属热应力对fbg起到的温度增敏作用。

提出了一种基于两端固定压杆的新型光纤布拉格光栅(fbg)波长调谐方法。根据材料力学对基于两端固定压杆的光纤光栅波长调谐进行了理论推导,仿真并重点分析了在调谐过程中谐振峰产生的原因。利用自行设计的调谐装置进行了fbg波长调谐实验,波长调谐量与移动平台位移量成指数关系,实现了fbg波长的双向准无啁啾调谐量35nm,调谐过程中3db带宽的改变量小于0.09nm。调谐过程具有很好的重复性,迟滞误差为0.08%。

报道了一种基于偏芯结构的双芯光纤制作的长周期光纤光栅,研究了在这种双芯光纤中写入相同结构的长周期光纤光栅的模式耦合特性,这种双芯结构能够将两个平行的长周期光纤光栅集成在一根光纤中。通过模拟计算发现在光纤圆周横截面不同方位进行曝光,可获得不同的光栅透射谱,通过利用co2激光脉冲曝光方法实现其制备,实验得出了采用单侧曝光方法在偏芯结构的双芯光纤上制备长周期光纤光栅的最佳写入方式。通过理论分析和实验的对比,结果表明,双芯长周期光纤光栅透射谱依赖于在双芯光纤圆周上的曝光方向。

介绍一种新型的基于光纤光栅应变传感特性的金属腐蚀传感器。实验中,传感器被放置在腐蚀液中,并使用moism125波长解调仪监测光纤光栅反射谱中心波长。加速腐蚀实验持续大约7h,结束时应变片被腐蚀的厚度为1.2mm,光栅反射谱中心波长偏移了约4nm。实验结果证明了该传感器设计的合理性和在实际应用中的可能性,同时也讨论将该种传感器投入实用所需要进行的改进。

为了满足桥梁和大坝等民用建筑和航空航天飞行器等结构的健康监测与管理需要,设计并制作了两种分别用钛合金和不锈钢材料封装的光纤布拉格光栅应变传感器,并利用悬臂梁校准装置对两种传感器的应变特性进行测试。试验结果表明,钛合金封装的线性度及应变灵敏系数优于不锈钢材料封装的传感器。因此,在对结构的应变监测时,使用钛合金封装的传感器更能真实反映结构的应变变化,从而达到健康监测的目的。

介绍了光纤光栅温度传感器的金属管封装技术,通过实验研究其温度传感特性。采用热膨胀系数不同的内径r=1mm,壁厚d=0.5mm,长度l=100mm管式结构的金属材料对光纤光栅进行贴壁封装实验时,得到黄铜管封装的传感灵敏度为14.9pm/℃,紫铜管封装的为14.6pm/℃,不锈钢管封装的为12.0pm/℃,它们分别是裸光栅的1.66倍、1.62倍和1.33倍,意味着热膨胀系数大的封装材料传感灵敏度更高。实验表明,轴向封装的光栅,传感灵敏度还与其同管内壁的间距有关,间距越小灵敏度越高。