硫系光纤光栅基质玻璃的光热稳定性研究

论文摘要

光纤光栅是一种高效的光无源器件,该器件是根据光纤材料的光敏特性在纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布,可以用于改变或控制光在该区域的传播。因其体积小、灵敏度高、可进行分布式测量等优点,受到人们的广泛关注。自上世纪70年代第一根光纤光栅被成功制备,经过30多年的研究,以石英为基质的光纤光栅从理论设计、模拟分析到光纤光栅制备都获得了很大的突破,其在全光通信、激光及传感领域都承载着重要的应用。但因石英基质的光纤红外截止波长的限制,在极其重要的中红外波段无法应用。近年来,随着激光技术和材料科学的发展,中红外波段的光纤材料和器件引起人们极大的关注,尤其是硫系基质玻璃因其优良的红外光学特性,成为发展中红外光纤器件的理想选择。由于硫系玻璃本身在可见光区域的特殊光敏特性等,因此可通过可见波段连续激光进行制备。此外,也可基于飞秒激光的多光子吸收效应,利用近红外波段的飞秒激光进行光刻制备。目前,硫系玻璃光纤光栅已经成功制备被应用于光纤传感及光纤激光器中,但已报道的硫系光纤光栅主要集中在As2S3和As2Se3玻璃基质,但是其热学稳定性较差,激光损伤阈值也较低,难以应用到高温及高功率的激光系统中。因此,开发具有高光热稳定性的硫系玻璃基质材料,对于提升硫系光纤光栅在中红外波段的应用范围和器件性能具有重要的研究价值。本论文系统地研究了硫系光纤光栅基质玻璃的光热稳定特性,着重探索了其飞秒激光的损伤特性,分析了不同激光参数在不同材料与结构上的损伤特性。论文的主要内容包括以下几个方面:(1)在飞秒激光作用下,不同波长的激光损伤情况各不相同。无论是制备波长还是工作波长,其激光损伤阈值都随着Ge含量的提升而增加。而制备波长的损伤阈值比工作波长的损伤阈值更低。(2)不同激光参数对硫系光纤光栅基质玻璃(块体材料)的损伤特性影响不一样。其中,聚焦深对激光损伤的影响最大;随着激光脉冲数目的增加,激光损伤阈值快速减少,当数目达到100以上时,其值趋于平缓;而激光重复频率的增加使得激光损伤阈值逐渐减少。(3)光纤材料与块体材料在800 nm制备波长的激光损伤阈值有着较大差异。光纤材料的损伤阈值均高于块体材料,其中一个很重要的原因就是光纤材料的结构较块体材料更为复杂。而光纤端面的损伤阈值高于光纤侧面的损伤阈值,所以,对于制备高质量的硫系光纤光栅,块体材料在制备波长的损伤阈值可以作为最低参考值,而光纤侧面的损伤阈值可以作为制备硫系光纤光栅时的主要参考值。(4)硫系光纤光栅的结构设计及特性的理论是光纤光栅应用的基础,本文设计了硫系光纤布拉格光栅,其温度传感灵敏度较石英材料具有明显的优势;接着设计了硫系长周期光纤光栅,研究表明其温度灵敏度最高,不仅高于同样结构的石英材料的长周期光纤光栅,同时也高于同样材料不同结构的硫系光纤布拉格光栅。

论文目录

引言

1 绪论

1.1 硫系光纤光栅的概述

1.1.1 光纤光栅简介

1.1.2 硫系光纤光栅简介

1.1.3 硫系光纤光栅的分类

1.1.4 硫系光纤光栅的制备方法

1.1.5 硫系光纤光栅的应用

1.2 光纤光栅基质（硫系玻璃）简介

1.2.1 硫系玻璃的简介

1.2.2 硫系玻璃的光学特性

1.2.3 硫系玻璃热学稳定特性

1.3 硫系光纤光栅的研究现状

1.4 本课题研究内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容

2 硫系玻璃及光纤的制备

2.1 引言

2.2 硫系玻璃制备及性能表征

2.2.1 As-Se、Ge-As-S和 Ge-As-Se的制备

2.2.2 As-Se、Ge-As-S和 Ge-As-Se玻璃的性能测试及表征

2.3 硫系光纤制备及特性

2.4 本章小结

3 不同组分硫系玻璃的光热稳定性

3.1 引言

3.2 实验研究方法

3.3 理论研究方法

3.4 不同组分玻璃材料的光热稳定性

3.4.1 玻璃基质材料的制备

3.4.2 光刻波长的玻璃损伤特性

3.4.3 工作波长的玻璃损伤特性

3.5 本章小结

4 激光参数对硫系光纤光栅基质玻璃的损伤特性的影响

4.1 引言

4.2 玻璃基质材料的制备及性能表征

4.3 激光脉冲数目对于硫系玻璃损伤特性的影响

4.4 激光重复频率对于硫系玻璃损伤特性的影响

4.5 激光聚焦深度对于硫系玻璃损伤特性的影响

4.6 本章小结

5 硫系光纤的激光损伤特性

5.1 引言

5.2 光纤端面的激光损伤特性

5.3 光纤侧面的激光损伤特性

5.4 光纤端面与侧面损伤特性比较

5.5 本章小结

6 硫系光纤光栅的设计及特性分析

6.1 引言

6.2 传输特性与结构参数的关系

6.3 硫系光纤光栅温度传感器设计及分析

6.3.1 硫系玻璃的制备及性能表征

6.3.2 硫系光纤布拉格光栅温度传感

6.3.3 硫系长周期光纤光栅温度传感

6.4 硫系光纤光栅其他特性

6.5 本章小结

7 总结与展望

参考文献

在学研究成果

致谢

Abstract of Thesis

论文摘要

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 朱亮

导师: 张培晴,许银生

关键词: 硫系玻璃,光纤光栅,光热稳定性

来源: 宁波大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

单位: 宁波大学

分类号: TN253;TQ171.1

DOI: 10.27256/d.cnki.gnbou.2019.000354

总页数: 60

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