光子晶体光纤的拉曼增强效应研究

拉曼散射是一种弱效应。从拉曼散射及其散射截面角度出发,通过将光子约束在一个极小的截面上并延长传输,即增加了拉曼散射截面,从而达到增强拉曼散射的效果。而光子晶体光纤特有的光子带隙效应与此方式类似,可将某一特定波长的光束缚在中心孔芯内传输。运用光子晶体光纤技术,设计了光子晶体光纤的拉曼效应增强系统。最后通过实验发现:光子晶体光纤用于拉曼效应增强是可行的,为后续微量物质、气体等检测提供了一种比较高效的分析方法。     

时域有限差分法在一维光子晶体数值模拟方面的研究

介绍了时域有限差分法的基本原理,并对一维光子晶体薄膜中传播的电磁场作了模拟和分析。通过对光子晶体透射谱的研究,讨论了不同周期数和不同介电常数比对光子晶体带隙的影响,最后通过在周期介质层状结构中引入缺陷层构造了光子缺陷态。     

基于正四边形晶格的微结构光子晶体光纤的特性分析

设计了基于正四边形晶格空气孔排列的光子晶体光纤,并在此基础上,通过在纤芯附近引入不同的微结构空气孔,运用全矢量有限元差分法,对不同微结构的光子晶体光纤的模式有效折射率、限制损耗、模场有效面积、非线性系数、波导色散系数等特性参数进行了仿真与分析。结果表明:引入不同的微结构,可以减小有效模场面积和增大非线性系数;引入正四边形微结构空气孔时,其限制损耗整体变化幅度较小;引入正八边形微结构空气孔时,其对应的波导色散系数在中波段变化比较平坦,且在波长为1 550nm处波导色散系数接近于零;引入正十二边形微结构空气孔时,其波导色散系数均为负值且变化幅度不大,可以应用于光纤的色散补偿。根据对引入不同微结构的光子晶体光纤的特性研究,为进一步研究光子晶体光纤提供一定的参考。     

基于同轴光子带隙晶体的应变传感器

基于微波网络理论,提出了一种基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器的设计方法。给出了同轴光子带隙晶体传感器的结构形式,推导了传感器带隙极值频率与晶体电长度之间的关系。根据给定监测频点设计了传感器的几何尺寸及材料参数,计算了传感器的S参数,计算结果与仿真结果相吻合。分析了提高该传感器灵敏度和品质因数的方法,并搭建了实验测试平台。实验结果表明:当应变量由0με提高至10 000με时,极值频率由2.450GHz移至2.432GHz,频移量为18 MHz,灵敏度为1.8kHz/με。得到的实验结果与仿真结果相吻合,验证了本文所提出的基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器设计方法的可行性和有效性。该传感器可满足不同灵敏度需求下对应变的实时监测。     

基于Cantor结构的一维光子晶体耦合腔的光学特性

在N=3的三分Cantor多层结构的基础上设计了一种光子晶体耦合腔结构,用传输矩阵法研究了这种耦合腔结构的光学特性。结果表明,新结构有更宽的带隙,并在宽带隙中出现了一个损耗非常小的超窄透射窗口;保持缺陷层的几何厚度不变,改变缺陷层介质的折射率,该透射窗口位置能在很大的范围内移动。这种新的耦合腔结构可用作超窄带光子晶体滤波器或波长可调谐滤波器,在光通信超密集波分复用和光学精密测量等领域中有应用价值。     

一种具有完全光子带隙的二维光子晶体薄膜

简单介绍利用光子晶体的概念,提出一种正方结构的类似棋盘式的二维光子晶体结构,根据光子晶体能带理论计算并设计了这一结构,利用碲化铅(PbT e)与一氧化硅(S iO)材料对组合,可在此两种材料的透光区波段内,获得具有TE与TM的重合完全光子带隙,相对宽度为4.55%,其意义是可以制作全角反射镜和偏振分光镜,文中为实际制备这一器件结构提供理论指导和可行性分析。     

FDTD方法在光子晶体光纤中的应用

光子晶体光纤是近年来研究的热点,提出时域有限差分法在光子晶体光纤理论分析中应用的具体方法。通过实例计算,得到了光子晶体光纤的有效折射率等传播参量。     

二维声子晶体薄板的振动特性

从薄板的振动方程出发,利用平面波展开法,给出了无限周期结构的二维声子晶体薄板的振动能带结构。发现二维声子晶体薄板存在振动带隙,但是与二维声子晶体xy模态的能带结构有区别。利用有限元法,对有限周期结构的声子晶体薄板振动频率响应进行仿真。在带隙频率范围内,频率响应存在较大衰减。并且给出了带隙内和带隙外两个频率点的波场分布。周期结构薄板中存在的振动带隙为声子晶体在减振方面的应用提供了一种新思路。     

基于光子晶体和法布里珀罗腔结构的折射率传感器

光子晶体传感器在溶液检测方面具有巨大的应用潜力,设计一种光子晶体液体折射率传感器,通过在光子晶体中构造法布里珀罗腔(F-P腔)并利用光子晶体的自准直效应来实现折射率的探测。通过二维时域有限差分法(2D-FDTD)对电磁波在光子晶体F-P腔中的传播的仿真实验,最终获得了高线性度的输出光功率与液体折射率的对应关系,并可基于此特性实现液体折射率的检测。相较于其他的检测方法,光子晶体的应用使其具有体积小、测量范围广、易于与激光器件集成并且不受外界电磁环境影响等优点。     

基于亚波长光栅的负折射光子晶体成像研究

理论上折射率为-1的平板超透镜可以实现完美成像,但等效折射率为-1的光子晶体结构,不满足介电常数ε=-1和磁导率μ=-1的条件,光子晶体与自由空间阻抗不匹配,某些角度的入射光与光子晶体内布洛赫波不能耦合,致使该空间频率光信息丢失,限制了光子晶体成像分辨率。为了提高成像分辨率,在光子晶体表面设置亚波长光栅结构,利用光栅的增透减反和波矢匹配作用,提高光子晶体对入射光的耦合效率。通过调整光栅周期,使更多高空间频率分量参与成像,同时抑制低频分量的传输。设置亚波长光栅结构后,光子晶体成像分辨率由597 lp/mm提高到了850 lp/mm,突破了衍射极限。     

开环光子晶体光纤化学传感器的设计

为了提高低折射率化学物质监测的灵敏度,采用光子晶体光纤设计了一种在开环内镀有金薄膜的表面等离子体共振传感器。利用仿真软件COMSOL Multiphysics 5.6系统地研究了开环半径、内部气孔大小、金属膜层厚度对该传感器灵敏度的影响。最终在2800～4700 nm的工作波段内设计出折射率检测范围为1.26～1.31的低折射率传感器。该传感器平均灵敏度高达22 500 nm/RIU,最高灵敏度达33 000 nm/RIU。在七氟醚、卤代醚、含氟有机物等低折射率物质检测方向具有较好的应用前景。     

High sensitivity internal refractive index sensor based on a photonic crystal fiber long period grating

A high sensitivity method is reported for the measurement of the internal refractive index using a photonic crystal fiber long period grating. Long period gratings of different lengths were inscribed in photonic crystal fibers, and the air holes of the fiber had varying refractive indices. A side lobe appeared near the resonant dip through the analysis of the characteristics of transmission spectra showing variation in the refractive index. The resonant dip and its side lobe provided varying sensitivities to the internal refractive index values. The sensitivity of the side lobe was as high as 2343?nm/refractive index unit (RIU), which exceeded the value for the resonant dip (2047?nm/RIU) for refractive indices from 1.3333–1.3792. Due to the high resolution of 8.5?×?10^?6 RIU, this method offers promising applications for biological and chemical analysis in which high-precision refractive index measurements are required.     

Simultaneous measurement of refractive index and temperature based on a long period fiber grating inscribed in a photonic crystal fiber with an electric-arc discharge

A novel fiber sensor composed by two single mode fibers and long period fiber grating based on a photonic crystal fiber prepared by periodic discharge heating has been experimentally investigated to measure refractive index and temperature. A Mach-Zehnder interferometer was formed due to the presence of two fusion spliced collapsed regions in the photonic crystal fiber. The resonance dip and interference pattern were differently influenced by the ambient disturbance, so the dual-parameters were simultaneously measured by analyzing the characteristics of transmission spectrum. After the experimental measurements, refractive index and temperature sensitivities of 117.28?nm/RIU and ?86.29?pm/°C were realized. Therefore, the reported sensor with advantages of easy fabrication, simple structure, and small size has the potential for simultaneous refractive index and temperature measurements involving biochemical sensing applications.     

基于光纤激光频率分裂效应的折射率 / 厚度 双参量测量研究

折射率作为光学系统中应用最广泛的光学参数之一,对系统的光学性能具有极其重要的影响。 厚度与折射率所组成的 光学长度直接影响双折射器件在光学系统中的时延特性。 本文提出一种基于光纤激光频率分裂效应的折射率/ 厚度双参量测 量方法。 该系统通过对插入激光腔内的双折射器件进行旋转,利用频率分裂效应对不同角度的器件的双折射参数进行测量。 基于双折射器件中的折射率椭球,建立相位延迟、折射率、厚度和旋转角度之间的关系,通过拟合计算得到器件的折射率/ 厚度 参数。 实验结果表明,通过该系统对双折射元件的厚度测量误差为 210 nm,本征折射率进行测量误差为 10 -5 ,可广泛应用于红 外波段的双折射器件的本征折射率/ 厚度双参量测量。     

High efficiency slotted photonic crystal waveguides for the determination of gases using mid-infrared spectroscopy

We present the design and analysis of a high efficiency slotted photonic crystal waveguide for gas sensing applications in the mid-infrared wavelength range. We designed the slotted photonic crystal waveguide structure by engineering the interfaces between the input and output slot waveguides and a resonant coupler. Coupling and transmission spectra of the sensor have been modeled using the three-dimensional finite-difference time domain method. The sensing principle is based on the shift of the upper band edge of the sensor output transmission spectrum which arises due to changes in the ambient refractive index. Transmission spectrum and sensitivity of the proposed sensor are analyzed by tuning the radii of the air holes localized on each side of the slot. The results show that a change of the refractive index of the gas by 10^?4 leads to a shift of the upper band edge wavelength by 540?pm which corresponding to a sensitivity of 1720?nm per refractive index unit. The proposed design may be an ideal platform for developing mid-infrared gas sensing devices characterized by high coupling efficiencies and high sensitivities.     

A fiber loop mirror temperature sensor demodulation technique using a long-period grating in a photonic crystal fiber and a band-pass filter

A fiber loop mirror (FLM) temperature sensor using a long-period grating (LPG) written in a photonic crystal fiber (PCF) and a band-pass filter as a demodulator is proposed. By utilizing the stable filtering function of the LPG in the PCF, the resonant wavelength variation of the FLM with temperature is transferred effectively to the intensity variation of the output light. By monitoring the light intensity of the band-pass of the filter, temperature applied on the FLM is deduced by an optical power meter. Experiment results show that the temperature sensitivity is high as ~1.742 dB/ °C when a filter with a full width at half maximum 3 nm and the center at 1545 nm is used.     

真空热处理对硫化锌薄膜光学与微结构特性的影响

针对电子束蒸发离子辅助沉积的硫化锌薄膜,研究了550℃以下真空热处理对其光学与微结构特性的影响。薄膜光学和微结构特性的测试分析表明:制备后薄膜为类立方结构的ZnS,在337.5nm波长处出现临界特性转折点,随着热处理温度的增加,转折波长两侧的消光系数变化规律相反,折射率和物理厚度呈现下降趋势,薄膜的禁带宽度逐渐增加;在红外波段的薄膜折射率与热处理温度的变化并不显著,在350℃下热处理时消光系数出现转折,主要是由晶粒变小的趋势所致;通过晶相分析,硫化锌薄膜经历了类立方结构到六方结构的转换,与禁带宽度的变化趋势基本一致。分析结果表明,光学特性变化的根本原因是薄膜的微结构特性变化。