特种光纤光栅特性及在光纤激光技术中的应用研究

论文摘要

光纤光栅作为一种光学无源器件,可实现多种功能并具有广泛的应用。随着光纤激光、光纤传感以及光纤通信等领域的迅速发展,对于光纤光栅有着更高的要求,如特殊的结构及功能、更大的参数范围、更高的性能、更多的光纤种类以及极端环境的适应性等。作为相关应用领域的关键、核心器件,特种光纤光栅具有重要的科研价值和迫切的研究需求。围绕特种光纤光栅研究方向,本论文重点开展了45度倾斜光纤光栅、大角度倾斜光纤光栅及耐高温增益光纤光栅的研制、特性以及应用研究。主要研究内容和创新点如下:1.开展特种光纤光栅制作技术的研究,基于相位掩模法搭建了掩模板扫描光纤光栅刻写系统,研制了45度倾斜光纤光栅、大角度倾斜光纤光栅、Ia型耐高温光纤光栅、相对小周期长周期光纤光栅、少量模长周期光纤光栅等多种特种光纤光栅。另外,设计出一种新型的双光束干涉扫描刻写系统,实现了多种特殊波段光纤光栅的制作。2.理论分析了45度倾斜光纤光栅的偏振原理及特性。基于45度倾斜光纤光栅的偏振特性,研制了全光纤偏振干涉滤波器,自由光谱范围为0.164 nm,可实现梳状滤波。首次开展基于这种新型滤波器的全光纤多波长激光技术研究,获得了具有良好平坦度和均匀性的多波长激光光谱,在3 dB范围内的波长数高达82个,信噪比为33 dB。另外,研究了双波长光纤激光的产生机理,利用具有33 dB消光比的45度倾斜光纤光栅实现了单偏振双波长光纤激光器,双波长激光的中心波长为1033 nm和1053 nm,3 dB带宽为10 nm,偏振度高达27 dB。3.理论研究了大角度倾斜光纤光栅的模式耦合特性,分析了其双峰光谱特性并在实验中进行了验证。首次提出利用大角度倾斜光纤光栅的模式耦合特性实现全光纤可饱和吸收体。实验中,通过在大角度倾斜光纤光栅表面沉积四氧化三铁纳米材料可实现光纤中光与可饱和吸收材料的相互作用,形成性能优良的可饱和吸收体器件。基于该器件获得了稳定的锁模光纤激光输出,信噪比高达67 dB。4.在掺镱光纤及掺铒光纤上分别制作可承受高温的Ia型光纤光栅,在500℃下仍具有大于99%的高反射率。这种制作在增益光纤中的耐高温光纤光栅有助于实现超短腔、单纵模光纤激光。实验中,通过在掺镱光纤上直接写入一对耐高温光纤光栅,实现了1μm波段耐高温分布式布拉格反射光纤激光器。该激光器腔长仅为10 mm,光谱线宽为16 pm,在450℃温度下工作稳定,信噪比大于50 dB,对于工作在高温苛刻环境下的高精度、长距离光纤光栅传感系统具有重要意义。

论文目录

摘要

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第1章引言

1.1 研究背景

1.1.1 光纤光栅概述

1.1.2 特种光纤光栅的发展方向

1.2 研究进展

1.2.1 45 度倾斜光纤光栅研究进展

1.2.2 大角度倾斜光纤光栅研究进展

1.2.3 耐高温光纤光栅研究进展

1.3 研究意义及研究内容

第2章光纤光栅耦合模理论

2.1 光纤光栅的基本耦合模理论

2.2 光纤布拉格光栅耦合模理论

2.3 倾斜光纤光栅耦合模理论

2.4 倾斜光纤光栅全矢量复耦合模理论

2.5 小结

第3章特种光纤光栅制作

3.1 光纤光栅制作系统

3.1.1 光纤载氢系统

3.1.2 光纤光栅刻写装置

3.1.3 退火处理

3.2 倾斜光纤光栅制作技术

3.2.1 45 度倾斜光纤光栅制作技术

3.2.2 大角度倾斜光纤光栅制作技术

3.3 双光束干涉扫描刻写技术

3.3.1 双光束干涉扫描刻写系统

3.3.2 特殊波段光纤光栅制作

3.4 小结

第4章 45度倾斜光纤光栅在多波长光纤激光的应用研究

4.1 45 度倾斜光纤光栅的原理及特性

4.1.1 45 度倾斜光纤光栅的起偏原理

4.1.2 45 度倾斜光纤光栅偏振相关损耗

4.2 全光纤偏振干涉滤波器及多波长光纤激光器

4.2.1 基于45 度倾斜光纤光栅的全光纤偏振干涉滤波器

4.2.2 基于全光纤偏振干涉滤波器的多波长光纤激光器装置及原理

4.2.3 多波长光纤激光器测量结果

4.3 基于45 度倾斜光纤光栅的单偏振双波长锁模光纤激光器

4.3.1 双波长激光器原理及装置

4.3.2 激光器输出特性

4.4 小结

第5章大角度倾斜光纤光栅特性及在锁模光纤激光的应用研究

5.1 大角度度倾斜光纤光栅特性研究

5.1.1 光纤包层模式的有效折射率计算

5.1.2 大角度倾斜光纤光栅模式特性理论计算

5.1.3 大角度倾斜光纤光栅特性实验研究

5.2 大角度度倾斜光纤光栅在锁模光纤激光器中的应用研究

5.2.1 可饱和吸收体简述

5.2.2 基于大角度倾斜光纤光栅的可饱和吸收体

5.2.3 基于大角度倾斜光纤光栅可饱和吸收体的锁模光纤激光器

5.3 小结

第6章 Ia型耐高温光纤光栅及在DBR激光的应用研究

6.1 Ia型耐高温光纤光栅

6.1.1 Ia型耐高温光纤光栅基本原理

6.1.2 Ia型耐高温光纤光栅制作

6.1.3 Ia型掺镱光纤光栅高温测试

6.2 基于耐高温光纤光栅的DBR光纤激光器研究

6.2.1 耐高温DBR光纤激光器研制

6.2.2 耐高温DBR光纤激光器高温测试

6.3 小结

第7章总结与展望

7.1 论文总结

7.2 展望

参考文献

附录中英文对照表

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王虎山

导师: 王屹山

关键词: 度倾斜光纤光栅,大角度倾斜光纤光栅,耐高温光纤光栅,光纤光栅制作,光纤光栅应用,光纤激光器

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TN253;TN24

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000033

总页数: 125

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