微结构光纤回音壁模式机理及应用的研究

Owing to the introduction of two-dimensional refractive index distribution over the cross section of microstructured optical fibers (MOFs), compared with conventional single-mode fibers, they have unique guiding mechanism and dispersion characteristics, and meanwhile the presence of air holes in MOFs allows for the infiltration of functional materials, which opens up broad research space and potential applications for related studies. In this project, we have presented an original thought to make an insight investigation on the guiding mechanism and mode coupling characteristics of the whispering gallery modes (WGM) for MOF-based WGM systems that respectively employ MOFs as the delivery fiber or WGM fiber, and moreover based on the mastery of related regulations and analysis approaches, we will investigate the MOF-based WGM devices as well. Through our research in this project, we will establish the universal principle to explain the fundamental physical phenomena and mechanisms for the WGM guiding and mode coupling procedure in MOF-based WGM systems, and furthermore a series of novel tunable WGM devices would be developed. Therefore, there exists a large research space for our proposal, which is also important from either a theoretical or application perspective.

微结构光纤具有二维周期性折射率分布，与传统单模光纤相比其结构设计灵活、具有独特的传导机制和色散特性，同时微空气孔的存在又为功能性材料的填充提供了条件，为相关研究开辟了更为广阔的空间及应用前景。本项目中我们提出了在一种创新性构想，分别以微结构光纤作为传导光纤和回音壁模式（WGM: Whispering Gallery Mode）光纤，对微结构光纤WGM系统中WGM的传导机制及其模式耦合机理进行深入的理论和实验研究，进而揭示光子在倏逝场耦合及WGM激发过程中的运动及其相互作用的普适物理规律。在掌握相关规律和分析方法的基础上，还将对基于微结构光纤的WGM器件进行研究。通过填充功能材料，进一步调控WGM及其模式耦合特性。通过本项目的研究，我们将创建出能够解释微结构光纤WGM系统中WGM传导及其模式耦合相互作用过程中基本物理现象和机制的普适理论，进而研制出一系列新颖的可调谐WGM器件。

本项目旨在研究微结构光纤及特定光纤微结构中的回音壁模式（WGM）传导机制及其模式耦合机理，创建出能够解释微结构光纤WGM系统中WGM传导及其模式耦合相互作用过程中基本物理现象和机制的普适理论，进而研制出一系列新型可调谐WGM光纤器件。围绕以上的研究目标，我们的研究工作主要在以下方面展开：..① 建立基于微结构光纤的WGM系统中WGM传导机制与复杂模式耦合作用的理论分析模型；掌握光子在光纤倏逝场的产生、模式耦合过程及WGM的激发过程中的运动学及相互作用规律；.② 掌握在不同微结构光纤上写制光栅及光纤与WGM微谐振腔耦合等的工艺技术，并在此基础上建立研究光纤WGM的实验研究系统平台，为后续相关研究提供硬件支撑及技术储备；.③ 面向通信、传感等领域的应用要求，研究光纤的功能材料集成工艺。通过理论分析功能材料对微结构光纤微腔回音壁模式特性的影响，设计并实现两种以上的微结构光纤WGM新型功能器件；.. 为此，我们在光纤WGM模式激发的增强、微结构光纤WGM微流传感器的设计、WGM调控机制及光控可调谐WGM光纤器件的研制、光纤WGM微腔激光器的研制、基于声致光纤光栅的光纤耦合模式特性调控、基于功能材料集成的光纤功能器件等方面开展了系统的研究。其中最具代表性的研究工作包括：设计并建立了光纤WGM相关研究的实验系统平台；分别利用光纤错位熔接及声栅调控光纤模式耦合特性的方式提高了光纤WGM激发效率；通过向微结构光纤包层空气孔填充液态磁流体材料，实现了对微结构光纤WGM透射光谱的激光控制调谐；研制出基于光纤尖端放电的石英微球WGM微腔，并在其表面涂覆偶氮材料薄膜，利用其光致异构特性实现了基于激光调谐的微腔WGM器件；进一步通过液态磁流体材料填充石英毛细管，利用其光热效应实现了光控WGM器件；此外通过激光染料填充石英毛细管，研制出基于毛细管的WGM激光器，并对轴向泵浦和侧向泵浦方式对激光特性的影响进行了比较研究；利用不同染料溶液对边孔光纤进行了填充，利用腔辅助能量转移效应实现了低阈值WGM激光器。