數(shù)字全息層析術對單模光纖折射率三維分布的重構研究

單模光纖中的雙折射

采用matlab和comsol建立單模光纖內(nèi)激光傳輸模型,對雙包層內(nèi)光纖折射率和纖芯結構對光能量分布的影響進行了理論研究。系統(tǒng)分析了光纖芯徑與數(shù)值孔徑、歸一化頻率和功率填充因子的關系,依據(jù)得到的結果進一步采用多模物理耦合仿真方法對不同類型的單模雙包層光纖纖芯的能量分布進行仿真,探索了不同折射率分布情況對纖芯能量分布的影響。計算和仿真結果表明:凹面折射率分布光纖的光斑模場面積最大,單位面積的功率分布最低。針對大功率光纖激光器的應用需求設計了工作波長為1.064μm、纖芯直徑為10μm、凹面直徑為8μm、數(shù)值孔徑為0.12的單模凹面折射率雙包層光纖,為提高光纖泵浦效率、降低纖芯的能量密度提供了思路。

研究單端腐蝕光纖布拉格光柵(fbg)在低折射率區(qū)(約1.333～1.360)對折射率與溫度同時測量的理論模型,分析其主要結構參數(shù)對折射率靈敏度和線性度的影響,建立相應的線性近似理論和誤差分析方法。理論仿真結果表明,可通過減小腐蝕區(qū)的直徑或選擇光柵周期較大的fbg制作傳感器來提高折射率靈敏度,但這同時會降低傳感器的線性度及增大折射率靈敏度的理論誤差。在此理論分析基礎上,設計并制作一個單端腐蝕fbg,進行相應實驗研究,實驗結果與仿真結果一致。

理論分析和模擬仿真研究了激光點火系統(tǒng)中光纖端面損傷、光纖初始輸入段損傷和光纖內(nèi)部損傷機理。結果顯示:端面損傷主要是由光纖端面的雜質(zhì)和缺陷引起;光纖初始輸入段損傷是由光束的初次反射造成光纖局部激光能量密度增大引起的;光纖內(nèi)部體損傷主要由于激光自聚焦效應引起損傷和光纖受到的意外應力產(chǎn)生微小碎片,吸收激光能量,引起光纖局部損傷。給出了激光點火系統(tǒng)中提高光纖損傷閾值的一般方法,主要包括光纖端面處理、設計合理的激光注入耦合裝置。

基于多模干涉效應的單模-多模-單模(sms)結構光纖折射率傳感器通常需要進行包層腐蝕來提高靈敏度,而且易受環(huán)境溫度影響。為克服sms結構的這些不足,提出了一種新型的基于纖芯失配多模干涉的光纖折射率傳感器,由單模光纖-色散補償光纖-單模光纖(smf-dcf-smf)級聯(lián)光纖布拉格光柵(fbg)構成,長度不超過100mm。對其靈敏度、線性范圍和溫度特性等進行了測試,實驗結果顯示在測量折射率為1.33～1.39的折射率液時,特征波長與折射率呈線性關系,靈敏度為232.8nm,級聯(lián)的fbg具有良好的溫度校準功能。

理論分析和模擬計算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對應的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應的布拉格波長變化顯著增大。實驗上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對應的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結果。而對于溫度變化對折射率測量結果干擾的問題,提出了通過計算布拉格波長差來克服溫度影響的方法。這些結果為采用布拉格光纖光柵測量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

提出了基于光纖布拉格光柵(fbg)包層模式的折射率傳感方案。實驗中,利用不同濃度的丙三醇水溶液作為外界折射率傳感溶液,采用氫氟酸溶液化學腐蝕的方法來減小光纖包層的直徑以增大包層模式對外界折射率的敏感度,研究了腐蝕后光纖布拉格光柵包層模式的耦合波長對外部折射率的變化關系。實驗結果表明在1.3300~1.4584的折射率范圍內(nèi),包層模式耦合波長隨外界折射率增大而增大,在接近光纖包層折射率處具有很高的折射率靈敏度,最大達到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包層模諧振的光譜半峰全寬(約0.07nm)僅為布拉格纖芯模諧振光譜半峰全寬的1/4,能夠獲得更好的傳感精度。

亞波長直徑微納光纖強倏逝場傳輸?shù)墓鈱W特性,使其對周圍介質(zhì)折射率的變化具有極高的靈敏度.本文提出一種基于微納尺度光纖布拉格光柵(mnfbg)的折射率傳感器,結合微納光纖倏逝場傳輸和光纖布拉格光柵(fbg)強波長選擇的特性來實現(xiàn)高精度折射率傳感,對其制備可行性進行了討論.論文中對mnfbg折射率傳感機理進行了深入的理論分析,并使用optigrating軟件進行了數(shù)值模擬,模擬數(shù)據(jù)顯示mnfbg折射率測量的靈敏度隨著光纖半徑的減小而增加,其中光纖半徑為400nm的mnfbg靈敏度可達到993nm/riu,相比于包層蝕刻的fbg靈敏度增加了170倍,說明mnfbg對發(fā)展微型化、高靈敏度折射率傳感器具有良好的應用前景.

單模光纖 又名：g652光纖 單模光纖(singlemodefiber)：中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的 光纖。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單 模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。 1、簡介 "單模光纖"在學術文獻中的解釋：一般v小于2.405時,光纖中就只有一個波峰通過,故稱為單模光纖,它的 芯子很細,約為8一10微米,模式色散很小.影響光纖傳輸帶寬度的主要因素是各種色散,而以模式色散最為 重要,單模光纖的色散小,故能把光以很寬的頻帶傳輸很長距離。 單模光纖具備10micron的芯直徑，可容許單模光束傳輸，可減除頻寬及振模色散(modaldispersion)的限 制，但由于單模光纖芯徑太小，較難控制光束傳輸，故需

單模光纖

對摻鍺石英光纖的紫外光敏特性進行了實驗研究.實驗結果表明:未載氫光纖經(jīng)過紫外光照射后折射率變化在10-4數(shù)量級;而載過氫光纖的折射率變化在10-3數(shù)量級,比未載氫的光纖折射率變化提高了一個數(shù)量級.載氫前后光纖的折射率變化隨曝光時間的變化規(guī)律是不同的,這表明載氫前后光纖的光敏性微觀機理是不同的.對載氫前后光纖的光敏性機理進行了分析與討論,分別解釋了未載氫光纖和載氫光纖的折射率隨紫外光曝光時間的變化過程.

利用激光照射高折射率玻璃微珠下形成的二次彩虹現(xiàn)象,以艾里的虹理論為基礎對玻璃微珠折射率進行了測量。推導了玻璃微珠尺寸對折射率影響的計算公式,表明半徑差異在10μm時,折射率的測量誤差為10~(-3)數(shù)量級。此外,通過軟件模擬計算玻璃微珠的二次彩虹現(xiàn)象,并對微珠的折射率進行了測量,驗證了二次彩虹方法的正確性,同時也表明玻璃微珠半徑的變化對最小偏向角位置的偏移影響很小。實際測量結果表明,折射率隨著半徑的減小而增大,但是折射率變化很小,因此,引入折射率測量誤差較小。統(tǒng)計測量方法能為玻璃微珠折射率的準確測量提供可靠的依據(jù)。

將長周期光纖光柵(lpg)和光纖sagnac環(huán)相結合,實現(xiàn)了折射率和溫度的同時測量。首先利用二氧化碳激光器在保偏光纖上制作了長周期光纖光柵(pm-lpg),然后把該pm-lpg和普通單模光纖耦合器組成sagnac環(huán),作為傳感單元。實驗選擇其某一透射峰作為測試對象,其波長隨溫度變化,強度隨折射率變化,因此可實現(xiàn)兩個參量的同時測量。實驗獲得的溫度靈敏度為-0.654nm.℃-1,折射率靈敏度為49.9db.riu-1。整個實驗系統(tǒng)成本低、簡單實用,具有較好的應用前景。

單模光纖與多模光纖的對比 作者：鍋頭 單模光纖多模光纖 中心玻璃芯很細，芯徑一般為9或10μm。芯徑較大，纖芯直徑為50μm至100μm。 可用較為廉價的耦合器及接線器。 傳輸距離較長，根據(jù)目前的光電轉(zhuǎn)換設備 來看，可以傳輸20~100km，理論上能達 到120公里。由于損耗小，傳輸長，光纖 主干布線大多用單模。 傳輸距離較短，最多傳輸5km。多用于較 短范圍內(nèi)的布線。 單模光纜價格比多模光纜便宜一些，但是 光電轉(zhuǎn)換設備價格比多模較貴，所以整體 而言單模的總體價格要偏高些。 多模光纖布線總體價格要偏低。 色散小，損耗小。色散大，損耗大。 只能傳一種模式光信號?？梢詡鞫喾N模式光信號。 使用激光二極管（ld）作為發(fā)光設備。使用發(fā)光二極管（led）作為發(fā)光設備。 通常用于連接辦公樓之間或地理分散更 廣的網(wǎng)絡。 通常用于同一辦公樓或距離先對較近的區(qū) 域內(nèi)的網(wǎng)

纖芯失配的光纖Mach-Zehnder折射率傳感器

對載氫摻鍺石英光纖的紫外光敏特性以及載氫條件對光纖紫外光敏性的影響進行了系統(tǒng)地實驗研究．實驗結果表明:①載氫光纖的光致折射率改變隨紫外曝光時間的變化規(guī)律(△n=3．3×10-4t0.31689)是先呈指數(shù)增長到達一定的時間基本達到飽和,如果繼續(xù)照射,光致折射率改變繼續(xù)增大,并對紫外光敏機理進行了討論;②隨著載氫壓力的增大,光纖的紫外光敏性呈正比例增大,兩者之間的關系為△n=1．34×10-5+4．66×10-5p;③摻鍺石英光纖的紫外光敏性的大小隨著載氫時間的延長,呈指數(shù)增長,最后達到飽和．

單模光纖的特性參數(shù)

根據(jù)菲涅耳公式和功率反射系數(shù)關系式,分析纖芯失配型光纖傳感器折射率傳感原理;采用單模/多模光纖制作傳感器,研究傳感器輸出光功率隨甘油溶液折射率變化特征,并驗證理論計算結果。表明媒質(zhì)折射率n_2=1.300～1.441時,傳感器輸出光功率強且?guī)缀醪话l(fā)生變化;n_2=1.441～1.452時,傳感器輸出光功率呈線性快速下降,其斜率為-155.91;當媒質(zhì)折射率與單模光纖包層折射率接近時,傳感器輸出光功率幾乎為0。驗證實驗發(fā)現(xiàn),傳感器線性快速下降的折射率范圍為1.442～1.454,斜率為-49.67,其輸出光功率隨甘油溶液折射率變化規(guī)律與數(shù)值模擬結果基本一致。該傳感器具有結構簡單、成本低、傳感系統(tǒng)全光纖化等特點,能用于有毒有害、易燃易爆等特殊環(huán)境下物質(zhì)折射率的高精度測量。

為了研究單模光纖對城域網(wǎng)和接入網(wǎng)以及ftth的容量與性能的提升,使用大功率、窄線寬的高性能光纖激光器作為系統(tǒng)光源,分別測量了3種光纖到戶用單模光纖的受激布里淵散射(sbs)閾值。從理論上分析了光纖sbs閾值估算公式及影響閾值的因素,理論估算值與實驗測量值吻合很好。實驗發(fā)現(xiàn)的一種g,652d光纖具有高達12mw的sbs閾值,對此進行了分析。

光纖色散 在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺}沖）的不同頻率成份或不同的模式分量以不同的速度傳播，到達一定距離后必 然產(chǎn)生信號失真（脈沖展寬），這種現(xiàn)象稱為光纖的色散或彌散。 光纖中傳輸?shù)墓庑盘柧哂幸欢ǖ念l譜寬度，也就是說光信號具有許多不同的頻率成分。同時，在多模光纖 中，光信號還可能由若干個模式疊加而成，也就是說上述每一個頻率成份還可能由若干個模式分量來構成。 光纖的色散主要有材料色散、波導色散、偏振模色散和模間色散四種。其中，模間色散是多模光纖所特有 的。 這四種色散作用還相互影響，由于材料折射率n是波長λ（或頻率w）的非線性函數(shù)，d2n/d2λ≠0，于是不 同頻率的光波傳輸?shù)娜核俣炔煌鶎е碌纳⒊蔀椴牧仙ⅰ?由于導引模的傳播常數(shù)β是波長λ(或頻率w)的非線性函數(shù)，使得該導引模的群速度隨著光波長的變化而變 化，所產(chǎn)生的色散成為波導色散（或結構色散）。 偏振模色散指光纖中偏振色

單模光纖的選用

主要探討了折射率與增益的共同導引下,折射率徑向平方律變化的增益引導光纖束縛因子的大小。首先解出了折射率徑向平方律變化的增益引導光纖的場解,然后由波印廷定理推導得出了光纖中束縛因子的計算公式,最后利用數(shù)值計算的方法,得到了這種光纖在單模傳輸下的束縛因子的大小范圍。結果顯示:折射率平方律變化的增益導引光纖具有比折射率階躍變化的增益導引光纖更好的束縛能力,利用這種光纖能使光纖激光器得到更高的輸出功率。