增强前向布里渊散射晶体光纤结构研究

项目拟通过对晶体光纤结构设计与优化，实现光纤中的前向布里渊散射效应的增强，以期开拓光纤前向布里渊散射的应用空间，在多波长激光发射及高灵敏度传感等领域发挥重大作用。研究是在对晶体光纤中光波和弹性波的模式和模场的理论分布、数值计算的基础上展开的，通过利用光纤包层周期性结构的禁带及反导波效应，将光波场和弹性波场同时局域在纤芯范围，从而大大提高光纤中的声光作用；同时利用斯托克斯频移对光纤物理参数的依赖，通过光纤参数变化实现对前向布里渊斯托克斯频移的控制。项目将理论设计与光纤制作、实验测试相结合，最终构造出一种具有特定斯托克斯频移的前向布里渊散射增强效应的晶体光纤。

晶体光纤的微结构对布里渊散射特性具有巨大的影响，通过光纤结构的改变可实现布里渊散射增强和频移变化。围绕微结构光纤的布里渊散射问题，我们的工作可分为下面几个方面内容：首先研究了光纤微结构材料内的布里渊散射特性，发现区别于传统光学介质，其布里渊散射频谱表现出了多峰的结构特点，每个峰值对应于不同的声波模式，其潜在的应用价值，即利用散射谱强度与频移变化实现对外界温度与应变的探测；我们利用全固带隙光纤对光波场的带隙效应和对声波场的导波效应，实现了较明显的布里渊散射谱，同时利用这种带隙光纤包层中的不同导波机制，实现了明显的布里渊散射多峰频谱结构，我们分析了散射特性并进一步探索了散射峰值对外界的不同响应，解释了差异性主要来源于纤芯与包层光/声模式对外界的不同响应；我们对光子晶体光纤进行了大量仿真计算，并通过与其他兄弟单位特别是与香港理工大学进行广泛合作，制备了多种晶体光纤并进行了测试，显示通过高折射率梯度的全固带隙光纤更有利于产生较强的布里渊散射；我们对微纳光纤的布里渊散射特性也进行了探索式研究，通过工艺改善制备了光纤直径小、结构均匀表面光滑且均匀区长的微纳光纤，在长度只有几个厘米的微纳光纤中观测到了明显的布里渊散射谱，这一结果对减小传统布里渊器件的尺寸、制备较小尺寸的布里渊激光器与传感器等具有非常重要的意义；我们进一步充实了研究内容，利用光纤微结构中布里渊散射对外界干扰的响应，实现了两个以上物理量的测量，并研究了光纤微纳结构的光学特性随外界环境的变化。在本课题项目的支持下，三年来发表了12篇SCI期刊论文，取得了非常丰富的研究成果。