掺杂二氧化硅玻璃光敏性及光纤光栅器件研究

论文题目: 掺杂二氧化硅玻璃光敏性及光纤光栅器件研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学

作者: 陈光辉

导师: 王文澄

关键词: 光敏性,掺锡二氧化硅,缺氧缺陷,紫外吸收,光纤布拉格光栅,传感特性

文献来源: 复旦大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文首先综述了1978年以来玻璃光敏性研究的简要历史及玻璃光敏性研究所取得的典型成果;分析了掺锗二氧化硅玻璃光敏性色心模型中两种光致缺陷转化的过程,以及载氢工艺提高掺锗二氧化硅玻璃光敏性的机理;介绍了掺锡二氧化硅玻璃光敏性的特点和近年来所取得的最新研究成果,解释掺锡二氧化硅玻璃光敏性产生机理的几种观点。同时,概述了基于光纤光敏性而制备的光纤光栅的基本特性、制作技术、及其在传感领域的应用。本论文研究了掺锡二氧化硅玻璃的光敏性及其产生的机理,开展了高双折射光纤光栅的传感特性研究,进行了基于1053nm光纤布拉格光栅的几种光纤器件的实验研究。首次采用MCVD方法和液相掺杂工艺在纯二氧化硅玻璃基板上制备出具有光敏性的掺锡二氧化硅玻璃薄膜,提出了以Fresnel公式为基础的研究玻璃薄膜光致折射率变化的新方法,采用248nm的准分子激光对掺锡二氧化硅薄膜进行照射,获得了2×10-4（波长为1550nm）的光致折射率变化。通过研究掺锡二氧化硅薄膜在不同条件的紫外激光照射下所产生的光致紫外吸收变化和对其Raman光谱的分析,发现掺锡二氧化硅薄膜光致折射率变化的机理与照射的紫外激光脉冲的能量密度有关,在高能量密度（约50mJ/cm2,266nm）照射下,其光敏性主要是由微观结构变化引起的,这种微观结构的变化始于与缺氧中心（Sn-ODCs,Si-ODCs,和Si-E’）有关的键的断裂。在相对低的能量密度（约10mJ/cm2,266nm）照射条件下,掺锡二氧化硅薄膜的光敏性主要归结于光学活性缺陷的光致转化,并可以用Kramers-Kronig关系式来解释。发现掺锡二氧化硅薄膜受低能量密度（约10mJ/cm2,266nm）照射后,在252nm的吸收峰被漂白的同时,分别在194nm、212nm和263nm处出现新的吸收带,初步分析认为:这些吸收与锡的缺氧缺陷中心（Sn-ODCs）有关。同时,通过对掺锡二氧化硅薄膜分别在高温、高压的氧气和氮气中退火前后的Raman光谱的研究,发现氮在一定条件下容易扩散到采用MCVD工艺制作的掺杂二氧化硅薄膜的现象,这意味着可能可以通过MCVD和气体扩散工艺来制作具有耐辐射特性的掺氮二氧化硅薄膜和光纤。首次采用MCVD法和液相掺杂工艺制备了镱锡共掺二氧化硅玻璃的光纤预制棒,这种材料同时具有掺锡二氧化硅光纤特有的高光敏性和掺镱二氧化硅光纤的光致发光特性。研究结果表明镱锡共掺光纤预制棒中的镱和锡之间没有发生影响各自特性的负面作用。在实验中,我们观察到预制棒受266nm激光脉冲照射后产生了高达2×10-4的光致折射率变化量,而紫外照射基本上不影响材料的光致发光谱（PL谱）。通过对紫外吸收变化和Raman光谱分析,发现这种镱锡共掺的光纤预制棒的光致吸收变化对照射激光脉冲能量密度的依赖性,与掺锡二氧化硅玻璃薄膜的情况极其相似,即:在高能量密度照射下,光敏性主要来源于材料中与缺氧中心周围的键的断裂而产生的微观

论文目录:

摘要

0 前言

0.1 选题背景、目的和意义

0.2 本论文的主要研究内容和结构安排

第一章玻璃光敏性及光纤光栅研究综述

1.1 玻璃光敏性研究

1.1.1 光敏性研究简要历史

1.1.2 光敏性研究成果

1.1.2.1 玻璃材料的光敏性

1.1.2.2 光敏性微观模型

1.1.2.3 光致折射率变化的正负性

1.1.2.4 光致折射率变化的热稳定性

1.1.3 光敏玻璃样品的制备技术

1.1.3.1 改进的化学气相沉积(MCVD)

1.1.3.2 棒外气相沉积(OVD)

1.1.3.3 气相轴向沉积(VAD)

1.1.3.4 制造光纤预制棒主要原材料

1.1.4 二氧化硅玻璃光敏性增强手段

1.1.4.1 载氢

1.1.4.2 火焰喷刷

1.1.4.3 共掺杂

1.2 掺锗二氧化硅玻璃的光敏性

1.2.1 掺锗二氧化硅玻璃内的缺陷中心

1.2.2 掺锗二氧化硅玻璃光敏性中缺陷的光致转化机理

1.2.3 载氢掺锗二氧化硅玻璃光敏性增强机理

1.3 掺锡二氧化硅玻璃的光敏性

1.4 光纤光栅特性及传感应用研究概述

1.4.1 相位掩模技术刻写光纤光栅

1.4.2 光纤布拉格光栅的基本特性

1.4.2.1 布拉格波长

1.4.2.2 光纤光栅的耦合模方程

1.4.2.3 光纤布拉格光栅的光子带隙及反射率

1.4.3 光纤布拉格光栅传感技术

1.4.3.1 光纤布拉格光栅的温度和应变传感特性

1.4.3.2 光纤光栅传感器中温度与应变效应的鉴别技术

1.4.3.3 光纤光栅传感器中的波长检测技术

1.4.4 高双折射光纤布拉格光栅的传感特性

1.5 本章小结

参考文献

第二章掺锡二氧化硅玻璃薄膜的光敏性研究

引言

2.1 掺锡二氧化硅玻璃薄膜的制备

2.2 掺锡二氧化硅玻璃薄膜的光敏性实验

2.2.1 掺锡二氧化硅玻璃薄膜的折射率测量方法

2.2.2 掺锡二氧化硅玻璃薄膜的折射率测量结果

2.3 掺锡二氧化硅玻璃薄膜受紫外激光照射前后的吸收谱变化

2.3.1 薄膜受UV激光照射前的紫外吸收谱

2.3.2 薄膜受248 nm UV激光照射前后的紫外吸收谱变化

2.3.3 薄膜受266 nm UV激光照射前后的紫外吸收谱变化

2.3.4 掺锡二氧化硅玻璃薄膜紫外吸收变化分析和光敏性机理讨论

2.4 掺锡二氧化硅玻璃薄膜受紫外激光照射前后的Raman谱变化

2.4.1 掺锡二氧化硅玻璃薄膜Raman谱随紫外激光照射时间的变化情况

2.4.2 掺锡二氧化硅玻璃薄膜在O_2和N_2中退火后Raman谱的变化情况

2.5 本章小结

参考文献

第三章镱锡共掺二氧化硅光纤预制棒的光敏性研究

引言

3.1 镱锡共掺二氧化硅光纤预制棒的制备

3.1.1 含SnCl_4和YbCl_4的溶液的配制

3.1.2 镱锡共掺二氧化硅光纤预制棒样品的制备

3.2 镱锡共掺二氧化硅光纤预制棒的吸收谱

3.3 镱锡共掺二氧化硅光纤预制棒的光致发光(PL)谱

3.4 镱锡共掺二氧化硅光纤预制棒的光敏性

3.4.1 镱锡共掺二氧化硅光纤预制棒的光致折射率变化

3.4.2 镱锡共掺二氧化硅光纤预制棒的Raman光谱

3.4.3 镱锡共掺二氧化硅光纤预制棒的光敏性机理讨论

3.5 本章小结

参考文献

第四章高双折射光纤布拉格光栅的传感特性研究

引言

4.1 高双折射光纤及其制造技术

4.1.1 高双折射光纤

4.1.2 “类矩形”高双折射光纤制造技术及双折射性能

4.2 新型高双折射光纤布拉格光栅

4.2.1 新型高双折射光纤布拉格光栅的制作

4.2.2 新型高双折射光纤布拉格光栅的偏振依赖性

4.3 新型高双折射光纤布拉格光栅的温度／应变传感特性

4.3.1 传感实验

4.3.2 传感特性分析及结论

4.4 新型高双折射光纤布拉格光栅的温度／压力传感特性

4.4.1 传感特性分析

4.4.2 实验结果及讨论

4.5 本章小结

参考文献

第五章 1053 nm光纤布拉格光栅器件实验研究

引言

5.1 0.02 nm窄带宽光纤光栅滤波器

5.1.1 滤波器的结构设计

5.1.2 滤波效果的演示实验

5.2 基于1053nm光纤布拉格光栅的双程光纤放大器

5.2.1 光纤放大器的结构

5.2.2 光纤放大器的实验结果

5.3 基于光纤布拉格光栅选模的1053nm窄线宽光纤激光器

5.3.1 光纤激光器的结构设计

5.3.2 光纤激光器的实验结果

5.4 本章小结

致谢

参考文献

第六章总结

6.1 取得具有创新性的成果

6.2 下一步的工作内容

后记

论文独创性声明

发布时间: 2005-09-19

参考文献

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[4].基于荧光光纤光栅的应变与温度同时测试技术[D]. 孙伟民.哈尔滨工程大学2005
[5].啁啾光纤光栅的优化设计与光纤光栅模拟软件的开发[D]. 王国东.吉林大学2006
[6].光纤光栅调谐技术、应用及宽带可调谐掺铒光纤激光器研究[D]. 董新永.南开大学2002
[7].光纤光栅写入及其应用研究[D]. 姜莉.南开大学2005
[8].光纤光栅及其在传感领域中应用的研究[D]. 余有龙.南开大学1999
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[10].光纤光栅制作工艺及其在光纤传感中的应用研究[D]. 刘海涛.上海交通大学2007

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