飞秒激光刻写光纤光栅的相关理论及实验研究

论文摘要

光纤光栅作为一种新型的光学器件,在光纤通信和光纤传感等方面有着重要的应用价值。近年来,利用飞秒激光刻写光纤光栅的技术得到了不断发展,该技术写入的光纤光栅所具有的优异性能进一步拓展了光纤光栅的应用范围。飞秒激光制作光纤布拉格光栅的主要机理是利用飞秒激光与透明介质相互作用时的非线性效应,诱导作用区域折射率发生变化,在纤芯内形成光栅。本文论述了非线性效应的相关理论。对光束功率的空间分布进行了分析计算,得到了折射率变化区域大小与激光参数之间的关系。理论上给出了光纤光栅的基本方程即耦合模方程,利用该方程分析了正弦调制型和矩形调制型这两种单模均匀光纤光栅的光谱特性,得到了一些有用的结论。数值模拟结果显示峰值反射率及反射带宽是衡量单模均匀光纤光栅的主要技术指标,它们与折射率的改变量及光栅长度有关;并且发现矩形均匀调制光栅具有高阶光谱响应的特性。讨论了两种分析非均匀光栅的数值方法:Rouard和V-I矩阵法。实验上给出了利用飞秒激光刻写光纤光栅的两种实验方案（逐点法和相位掩膜法）,对主要实验参数和元器件进行了计算和设计。利用重复频率1kHz,波长800nm,脉宽45fs的激光在多模掺铥光纤中进行了布拉格光栅的制作,利用激光谱和波长计对获得的实验结果进行了分析。通过相位掩模法获得了预期的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 飞秒激光逐点刻写FBG现状
• 1.2.2 飞秒照射相位掩模法刻写FBG现状
• 1.3 课题的主要工作
• 第2章 飞秒激光诱导透明介质的非线性吸收及折射率改变轮廓研究
• 2.1 飞秒激光与透明介质的非线性效应
• 2.1.1 超短脉冲激光的特征
• 2.1.2 自相位调制
• 2.1.3 自聚焦
• 2.1.4 超连续谱
• 2.2 非线性吸收
• 2.3 轴向折射率分布研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 光纤光栅的耦合模理论研究及数值分析
• 3.1 光纤光栅的耦合模理论
• 3.2 单模均匀光纤光栅的耦合模分析
• 3.2.1 正弦折射率调制型FBG的耦合模分析
• 3.2.2 矩形折射率调制型FBG的耦合模分析
• 3.3 光纤光栅的数值分析
• 3.3.1 Rouard法
• 3.3.2 基于微波网络模型的V-I矩阵法
• 3.4 本章小结
• 第4章 飞秒激光刻写光纤布拉格光栅的实验研究
• 4.1 飞秒激光系统
• 4.2 逐点法刻写
• 4.2.1 逐点刻写试验装置
• 4.2.2 平移速度的确定
• 4.2.3 激光能量的确定
• 4.2.4 逐点法刻写结果与分析
• 4.3 相位掩模法
• 4.3.1 相位掩膜法实验系统
• 4.3.2 相位掩模板的设计
• 4.3.3 光纤放置位置的确定
• 4.3.4 相位掩膜法刻写结果与分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢