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光学工程
光子晶体光纤光栅产生的过程与现况

光子晶体光纤光栅产生有它的历史必然性。说光子晶体光纤光栅的产生具有历史必然性,是因为科技在不断的发展过程中,当有新的物质被发现时,围绕着这个物质的相关物质就会有新的突破,也就是当光子晶体这种新新的材料被发现并生产出来,那围绕着光子晶体的光纤光栅就会产生新的物质――光子晶体光纤光栅。

自从Hill1978年制作出第一个光纤光栅,光纤光栅就迅速进入到各行各业中,特别是光纤通讯和光纤传感,它的应用给光纤传感带来了质的飞跃。光纤光栅是在光纤芯层部分位置写入折射率按一定的函数变化而形成的,使得芯层和包层产生对不同模式间的耦合效率的不同(反映在透射谱线和反射谱线上)的特性。他可以广泛的应用在检测和监测的传感系统中,比如对桥梁承受的压力进行实时监控,以保证桥梁安全,这主要是利用在不同的压力下,光纤光栅会产生折射率的微小变化,而微小的折射率变化会使得光纤光栅的透射谱(或反射谱)中心波长移动几个nm,进而知道桥梁实时承受压力的大小。除了对桥梁等公共设施的承载的安全检测外,还可以应用在很多行业中,比如报警、生物传感,医疗器械等领域。光纤光栅的广泛应用推动了它的理论的进一步成熟和发展,为光子晶体光纤光栅奠定了坚实的理论基础。

到1987年Yablonovith提出光子晶体,立马吸引了很多的科学工作者的目光,他们深刻体会到这将引起工业产品的变革。光子晶体周期性介电常数的排列,会引起光子类似于电子在晶体产生能带而产生光子带隙,这样很好的将电的时代迈入了光的时代。随着人们对光时代的向往,光子晶体的理论分析和制作方法都在迅速的发展中,很快,在1992年提出光子晶体光纤,并在1996年Knight等人制作出来了第一根光子晶体光纤,对传统的光纤引起了变革。解决了传统光纤中一直让人们头痛的问题。比如,弯曲损耗问题,传统的光纤利用的是光在传输到包层和外界的交界处时产生全反射来传输光信号的,如果光纤由于某些原因而发生了弯曲,这样就会使得光在交界面不满足全反射条件而大部分透射到外界,进而损失信号。光子晶体光纤就不一样了,光子晶体光纤带隙理论指出如果传输光正好落在光子晶体的带隙段,不管光纤是否弯曲和弯曲程度如何,光都不能在光子晶体中传播,那么光就不可能产生大的损耗。还比如光子晶体光纤的可控制色散特性,很好的放宽了光纤传输光源的要求等等。光子晶体光纤的广泛应用,也预测了光子晶体光纤光栅的产生。

很快,到1999年,Eggleton等人就在实验室制作出了第一根光子晶体光纤光栅,并对它的各项特性进行了探究和测量。它的成功制作为人们打开了光子晶体光纤光栅这门学科的大门,随后,几乎每年都有不同的科学工作者制作出了不同的光子晶体光纤光栅。综观全局,光子晶体光纤光栅实际上是各项前提技术的成熟后必然的科技成果。这种集各种技术(光纤光栅,光子晶体,光子晶体光纤)与一体的光子晶体光纤光栅,它具有了各项技术的优点,也将更加满足社会的需求。

光子晶体光纤光栅国内的研究状况

对于光子晶体光纤光栅,我国也对其作了大量的研究工作,并取得了非常好的研究成果。早期,南开大学现代光学研究所就实现了在经过高压载氢增敏处理过的光子晶体光纤中利用相位掩膜法制作出布拉格光纤光栅。2004年,Zhi等人通过对基于光子晶体光纤的长周期光纤光栅模拟分析表明,长周期光纤光栅的谐振波长对光栅周期呈非单调性变化,并且对于某一特定的光栅周期,可能存在多个谐振波长。2005年,Fu等人利用紫外飞秒激光器在纯硅光子晶体光纤上写入了光纤Bragg光栅,该方法写制的光栅传输损耗为10dB,平均折射率变化大于4×10-4。2006年,Wang等人利用CO2激光脉冲在光子晶体光纤上刻写出高应变灵敏度(为-7.6pm/με)和低温度灵敏(为3.91pm/oC)特性的长周期光纤光栅。用这种长周期光纤光栅制成的传感器能有效降低应力和温度之间的交叉敏感性,并且在不使用补偿技术的情况下由温度导致的应变测量误差仅为0.5με/oC。2007年,李燕等人采用光束传播法研究了实心掺锗光子晶体光纤布拉格光栅的模式截止特性。给出了在光子晶体光纤布拉格光栅中激励高阶响应模式满足的三个条件:相位匹配条件、在光栅区有电场交迭和要激发相应的响应模(即满足不等式关系:Vpcf>π)。2008年,Wang等人利用高频短周期CO2脉冲激光在空芯光子带隙光纤上成功的写制了长周期光栅。通过对其特性分析表明这种LPG也具有高应变灵敏度和对温度、弯曲及折射率不敏感的特性。可用来制作应变传感器而没有温度、曲度及折射率的交叉敏感问题。李志全等人提出了利用光子晶体的概念和分析方法对取样光纤光栅进行研究,从光子晶体的角度研究了取样光纤光栅的反射谱特性,并与用采样光纤光栅传输矩阵法计算所得到结果进行比较,得出了用光子晶体理论分析与用传统的模耦合理论分析相吻合的特性。Jin等人用193nmArF准分子激光器在高浓度掺锗的PCF中写制了布拉格光栅,刻栅效率有了很大提高,整个曝光时间持续不到180秒。2009年Zhang等人利用光束传播法研究了间质性气孔对掺锗的光子晶体光纤布拉格光栅的影响。分析表明间质性气孔可导致布拉格谐振波长向短波长移动,增加布拉格中心波长值λB和最近邻旁瓣的波长值λ1之间的差值(即λB?λ1),还可影响到耦合系数。现在光子晶体光纤光栅已经成为国际上研究的一个热点,我国有越来越多的科学家投入其中,为我国的科技事业做出了卓越的贡献。



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