光子晶体多芯天文光纤像切分器的优化设计

由于大气影响，无限远恒星在地面望远镜的焦面上成像为一定直径的视面圆，由于天文高分辨光谱仪狭缝很窄，星像直径往往大于光谱仪狭缝宽度，导致一部分光被遮挡，不能进入光谱仪，降低了光效率，需要引入像切分器。为改善目前光纤像切分器效率只有70-80%的情况，本项目提出了一种基于光子晶体多芯光纤技术的高集成度、低损耗的光纤像切分器。这种光纤像切分器由入射端的光子晶体光纤灯笼、光谱仪接入端的纤芯一字排列的光纤刷和连接二者的光纤束组成，可以将接收到的圆形星像光信号直接转换成对应光谱仪狭缝的线形光斑，而且损耗大大减小。本项目综合利用理论分析、计算机仿真及实验测试等方法，研究高效光纤嵌入技术、光纤像切分器制作方法、光纤灯笼及光纤刷形状的优化设计、器件色散及损耗机制的理论分析及实验测试、器件温度响应分析等。本研究的关键问题在于弄清光纤灯笼及光纤刷中各个光传播模式间能量转换方式与这些器件形状函数的关系。

本文根据像切分器的工作原理，设计了一种新型光纤像切分器。该像切分器包含三个部分——光纤光子灯笼、光纤刷和二者之间的连接光纤。光纤光子灯笼与光纤刷均经过拉锥制成，光纤光子灯笼锥区末端芯层为圆形，用于接收望远镜的出射光信号，光纤刷锥区末端芯层为一字排列多芯结构，用于将光信号输入光谱仪。本课题的主要研究内容包括：.1. 基于光纤光子灯笼和光纤刷的设计结构，研究了锥形缓变光纤的模式理论和多芯光纤的耦合理论。对于锥形光纤器件，当锥区变化的足够缓慢时，可以用局部模式对锥区中的传播模式进行近似，局部模式功率的变化可以忽略。当波导中包含多根光纤时，模式在各光纤中耦合，耦合强度随光纤的归一化频率和光纤间距的变化而变化。在锥区中，嵌入光纤的直径和间距均发生改变，因而耦合效应在整个锥区中也发生变化，越靠近锥区细端，耦合越明显。.2. 本文设计并制作了大热区可移动面型火焰拉锥系统，用于将光纤预制棒拉锥成特殊的结构，例如光纤光子灯笼、光纤刷等。该系统的最大特点是加热器可移动，且移动速度和距离可调，从而实现了可调式大热区加热。通过大热区加热，显著延长了锥区长度，减小了器件的传输损耗。加热器的出气孔采用线型设计，七个直径为0.5mm的气孔直线排列，产生面型火焰，一方面降低了加热火焰的宽度，利于对锥区形状的控制，另一方面保证了火焰的长度，能够加热不同直径的预制棒。通过控制丁烷与氧气的流量比例可实现不同的加热温度，以适应不同的拉锥需求。.3. 设计并制作了一种特殊的光纤光子灯笼，采用大芯径塑料包层光纤作为嵌入光纤。该特种光纤的包层可以溶于丙酮溶液，而纤芯完好无损。将光纤包层除去后进行嵌入并拉锥，可保证拉锥形成的锥区末端芯层折射率分布均匀，从而使光场均匀分布，克服了嵌入单模光纤后锥区末端光场不均匀的缺陷。.4. 设计并制作了新型的光纤器件——光纤刷，可用于向光谱仪狭缝中输入光信号。该器件是将七根裸光纤嵌入光子晶体光纤预制棒的一排空气孔中，经熔融拉锥形成，锥区末端具有一字排列的七芯结构。模式在锥区传播的过程中，将在各嵌入光纤之间进行耦合，从而实现圆形模场向条形模场的转换。