用电子辐照光纤改性方法制备长周期光纤光栅的理论研究

论文摘要

电子辐照技术在材料改性方面具有广泛的应用。目前其在制作平面光波导、低带间串扰光波分复用器等光学器件方面也已经有初步的应用。考虑到目前常用的制备长周期光纤光栅的方法各自都有些局限性,特别是不利于大规模批量生产,本文基于利用电子辐照可使二氧化硅改性的原理,首次提出了通过电子辐照对二氧化硅光纤改性来制作长周期光纤光栅的学术思想,以期寻求一种在保证质量条件下可大规模工业化生产光纤光栅的方式。论文综述了电子辐照对二氧化硅平板材料改性的理论和实验研究进展,介绍了电子辐照对SiO2产生改性作用的机理,使样品中产生原子错位的电子能量阈值、电子辐照深度的计算方法,分析了不同能量电子辐照产生折射率变化的原因以及电子辐照导致SiO2折射率变化的计算及测量方法。在此基础上,论文用把二氧化硅分子等价成一个原子的方法建立了用电子辐照二氧化硅光纤情形下的物理模型;给出了电子在光纤中辐照深度的计算方法;基于蒙特卡罗方法计算了1Mev的电子辐照二氧化硅时的能量沉积,它包括碰撞和韧致辐射导致能量的沉积两项,分别给出了软件模拟,并且给出了在计算能量沉积过程中所需要的众多函数,描述出了电子辐照时的物理过程。理论计算结果表明使能量沉积率在光纤纤芯最大的辐照电子能量为0.4474MeV。考虑到通过电子辐照对二氧化硅光纤改性来制作长周期光纤光栅的过程中,必须解决光栅掩模板设计问题需要的理论支持,论文分析了占空比对光栅光谱的影响,计算了光纤前20个一阶包层模式有效折射率并分析了其耦合常数变化规律,分析了谐波光栅谐振波长随折射率调制量增加的漂移规律,给出制作无额外谐振光栅或传感用光栅对光栅占空比的设计要求,指出利用电子辐照对二氧化硅光纤改性的方法制作长周期光纤光栅所用的光栅掩模板占空比不能为0.5。本论文的研究结果可为利用电子辐照使光纤改性的方法制作长周期光纤光栅这一课题的进一步研究提供理论依据和参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 电子辐照二氧化硅平板材料研究概况
• 1.2 电子辐照在二氧化硅材料中形成缺陷
• 1.2.1 缺陷形成的原因
• 1.2.2 退火对缺陷的影响
• 1.2.3 影响缺陷产生的因素
• 1.2.4 缺陷与电子能量、剂量率和总剂量的关系及其观察方法
• 1.3 电子辐照产生原子错位的电子能量阈值
• 1.4 辐照深度计算方法
• 1.5 电子辐照二氧化硅材料产生折射率变化的原因
• 1.6 电子辐照二氧化硅平板制作光学器件
• 1.6.1 光波导制作历史
• 1.6.2 辐照宽度的研究
• 1.6.3 水解沉积与热生成二氧化硅平板中制作光波导比较
• 1.6.4 电子辐照掺锗石英光纤的研究
• 1.7 电子辐照导致二氧化硅材料折射率变化的计算
• 1.8 电子辐照引起折射率变化的测量
• 1.9 本课题的选题意义和研究内容
• 第2章长 周期光纤光栅制作研究概况
• 2.1 光纤光栅的发展
• 2.2 光纤光栅的制作方法
• 2.3 光纤光栅的分类
• 2.4 长周期光纤光栅的应用
• 2.4.1 长周期光纤光栅在通信方面的应用
• 2.4.2 长周期光纤光栅在传感方面的应用
• 2.5 本章小结
• 第3章 光纤光栅的理论研究
• 3.1 光纤中模式场理论
• 3.1.1 光纤中的基本电磁场
• 3.1.2 求解阶越光纤的电磁场方程
• 3.1.3 导波模的特征方程
• 3.1.4 弱导近似
• 3.2 阶越单模光纤纤芯基模和包层模模式场的分析计算
• 3.2.1 纤芯基模模式场解
• 3.2.2 包层模式场解
• 3.3 光纤光栅耦合模理论
• 3.3.1 光栅谐振波长的简单估算
• 3.3.2 光栅谐振波长的准确估计
• 3.3.3 光谱模拟方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 长周期光纤光栅占空比对其光谱影响的理论分析
• 4.1 纤芯折射率调制函数
• 4.2 纤芯基模和包层模的有效折射率
• 4.3 谐波光栅的光谱
• 4.4 光栅谐振波长的位置及其漂移规律
• 4.5 占空比对光栅光谱的影响及其应用
• 4.6 本章小结
• 第5章 在光纤芯处具有最大能量沉积的辐照电子能量计算
• 5.1 电子辐照二氧化硅光纤产生折射率变化
• 5.2 光纤均匀介质模型近似
• 5.3 二氧化硅的等价原子序数计算
• 5.4 计算辐照电子能量沉寂的公式和方法
• 5.5 辐照能量背向散射系数
• 5.6 辐照电子入射产生光子的系数
• 5.7 入射电子在二氧化硅中的连续穿透深度及外推范围计算
• 5.7.1 电子连续穿透深度的计算
• 5.7.2 电子外推范围的计算
• 5.8 能量沉积计算机模拟
• 5.9 纤芯处能量沉积最多时所需电子初始能量的计算
• 5.10 碰撞和韧致辐射导致的能量沉积比较
• 5.11 讨论
• 5.11.1 入射电子在深度z处的能量
• 5.11.2 数量传输系数
• 5.12 对用电子辐照法制作长周期光纤光栅实验研究的几点考虑
• 5.13 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢