激光诱导光纤微结构包层模器件制备与传感研究

特种光纤包层模无源器件具有对介质环境折射率变化极为敏感等突出优点，在各种腐蚀性和危险性环境的传感应用方面有重要的应用前景。本项目拟利用飞秒脉冲激光在保偏光纤中制备微结构包层模器件，通过对器件光谱特性、包层模模场分布以及写入动态规律的研究，进行理论建模和数值模拟分析，研究包层模器件的写入机理，对比研究激光诱导的应力(残余应力与外加应力)变化与玻璃结构改变对光纤折射率调制的贡献。拟利用聚焦的飞秒激光对光纤纤芯和包层的折射率变化进行调节，探索通过调节光纤包层的折射率分布对其包层模模场传输特性进行控制的技术方法，并研究包层模模场分布对器件传感特性的影响机理，从而研制高灵敏度的光纤微结构包层模折射率传感器。这种传感器在危险气体检测、环境监测、大型建筑的安全监测、化学和生物传感等领域有重要的应用前景，对其写入机理的研究对进一步改进和提高特种光纤制备技术有重要的参考价值和基础科学意义。

特种光纤包层模器件具有对介质环境折射率变化极为敏感等突出优点，在各种腐蚀性和危险性环境的传感方面有重要的应用前景。长周期光纤光栅（Long-Period Fiber Grating, LPFG）是典型的光纤包层模器件。项目利用CO2激光和飞秒脉冲激光在保偏光纤等特种光纤中制备LPFG，通过对器件光谱特性及写入动态规律的研究，对比研究了激光诱导的应力（残余应力与外加应力）变化与玻璃结构改变对光纤折射率调制的贡献，并研究了光纤纤芯和包层折射率变化对包层模传输特性及器件传感特性的影响。.实验发现，残余应力释放、光纤玻璃结构变化与非弹性应力冻结是影响LPFG写入过程的主要物理效应。当有外加应力时，可以实现应力折变型LPFG的可擦重写。对于保偏光纤LPFG，当激光沿光纤的慢轴方向入射时的成栅效率明显较高，当施加了轴向拉力时，沿快轴入射写入的LPFG会在长波区域形成新的谐振峰。这是因为激光可避开应力柱直接作用在纤芯与包层区域，由于外加应力冻结效应而形成新的谐振峰；当沿光纤慢轴方向入射时，激光直接作用在应力柱上，非弹性应力冻结效应远小于应力柱的应力变化的影响，因此即使外加较大应力也不会产生新谐振峰。实验发现新产生的谐振峰对外界折射率的变化更为敏感。.在随机气孔微结构光纤上制备了不同周期的LPFG，发现当有外加应力时，LPFG的写入重复性明显提高。双包层掺氟光纤上的类似实验发现，包层不同结构之间的残余应力释放引起的折射率变化对LPFG的形成有较大贡献。制备了不同周期和不同倾斜角度的倾斜LPFG，发现对比普通LPFG，其成栅效率和折射率灵敏度较高。在不同锥区直径的锥形光纤上写入LPFG，发现随着光纤锥区直径的减小，光栅透射峰的中心波长向短波方向漂移。当光纤锥区直径逐渐减小时，LPFG的折射率和温度灵敏度逐渐增大，锥区直径为21微米的封装锥形光纤LPFG的温度灵敏度提高了一个数量级。.通过对LPFG写入动态过程、传输与传感特性的研究，揭示了器件写入的物理机理，为提高器件制备效率和研制新型光栅器件提供了参考，有利于拓宽LPFG在光纤通信和高灵敏度传感领域的应用。已在知名国际会议发表学术论文13篇，其中10篇已被EI收录；申请发明专利3项，其中2项已授权。申请和承担了多个科研项目的研究工作，并新获得国家自然科学基金项目1项。