数字全息层析术对单模光纤折射率三维分布的重构研究

单模光纤中的双折射

采用matlab和comsol建立单模光纤内激光传输模型,对双包层内光纤折射率和纤芯结构对光能量分布的影响进行了理论研究。系统分析了光纤芯径与数值孔径、归一化频率和功率填充因子的关系,依据得到的结果进一步采用多模物理耦合仿真方法对不同类型的单模双包层光纤纤芯的能量分布进行仿真,探索了不同折射率分布情况对纤芯能量分布的影响。计算和仿真结果表明:凹面折射率分布光纤的光斑模场面积最大,单位面积的功率分布最低。针对大功率光纤激光器的应用需求设计了工作波长为1.064μm、纤芯直径为10μm、凹面直径为8μm、数值孔径为0.12的单模凹面折射率双包层光纤,为提高光纤泵浦效率、降低纤芯的能量密度提供了思路。

研究单端腐蚀光纤布拉格光栅(fbg)在低折射率区(约1.333～1.360)对折射率与温度同时测量的理论模型,分析其主要结构参数对折射率灵敏度和线性度的影响,建立相应的线性近似理论和误差分析方法。理论仿真结果表明,可通过减小腐蚀区的直径或选择光栅周期较大的fbg制作传感器来提高折射率灵敏度,但这同时会降低传感器的线性度及增大折射率灵敏度的理论误差。在此理论分析基础上,设计并制作一个单端腐蚀fbg,进行相应实验研究,实验结果与仿真结果一致。

理论分析和模拟仿真研究了激光点火系统中光纤端面损伤、光纤初始输入段损伤和光纤内部损伤机理。结果显示:端面损伤主要是由光纤端面的杂质和缺陷引起;光纤初始输入段损伤是由光束的初次反射造成光纤局部激光能量密度增大引起的;光纤内部体损伤主要由于激光自聚焦效应引起损伤和光纤受到的意外应力产生微小碎片,吸收激光能量,引起光纤局部损伤。给出了激光点火系统中提高光纤损伤阈值的一般方法,主要包括光纤端面处理、设计合理的激光注入耦合装置。

基于多模干涉效应的单模-多模-单模(sms)结构光纤折射率传感器通常需要进行包层腐蚀来提高灵敏度,而且易受环境温度影响。为克服sms结构的这些不足,提出了一种新型的基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器,由单模光纤-色散补偿光纤-单模光纤(smf-dcf-smf)级联光纤布拉格光栅(fbg)构成,长度不超过100mm。对其灵敏度、线性范围和温度特性等进行了测试,实验结果显示在测量折射率为1.33～1.39的折射率液时,特征波长与折射率呈线性关系,灵敏度为232.8nm,级联的fbg具有良好的温度校准功能。

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大。实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果。而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法。这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径。

提出了基于光纤布拉格光栅(fbg)包层模式的折射率传感方案。实验中,利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液,采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度,研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在1.3300~1.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07nm)仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的1/4,能够获得更好的传感精度。

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(mnfbg)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(fbg)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对mnfbg折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用optigrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示mnfbg折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400nm的mnfbg灵敏度可达到993nm/riu,相比于包层蚀刻的fbg灵敏度增加了170倍,说明mnfbg对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景.

单模光纤 又名：g652光纤 单模光纤(singlemodefiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的 光纤。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单 模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。 1、简介 "单模光纤"在学术文献中的解释：一般v小于2.405时,光纤中就只有一个波峰通过,故称为单模光纤,它的 芯子很细,约为8一10微米,模式色散很小.影响光纤传输带宽度的主要因素是各种色散,而以模式色散最为 重要,单模光纤的色散小,故能把光以很宽的频带传输很长距离。 单模光纤具备10micron的芯直径，可容许单模光束传输，可减除频宽及振模色散(modaldispersion)的限 制，但由于单模光纤芯径太小，较难控制光束传输，故需

单模光纤

对掺锗石英光纤的紫外光敏特性进行了实验研究.实验结果表明:未载氢光纤经过紫外光照射后折射率变化在10-4数量级;而载过氢光纤的折射率变化在10-3数量级,比未载氢的光纤折射率变化提高了一个数量级.载氢前后光纤的折射率变化随曝光时间的变化规律是不同的,这表明载氢前后光纤的光敏性微观机理是不同的.对载氢前后光纤的光敏性机理进行了分析与讨论,分别解释了未载氢光纤和载氢光纤的折射率随紫外光曝光时间的变化过程.

利用激光照射高折射率玻璃微珠下形成的二次彩虹现象,以艾里的虹理论为基础对玻璃微珠折射率进行了测量。推导了玻璃微珠尺寸对折射率影响的计算公式,表明半径差异在10μm时,折射率的测量误差为10~(-3)数量级。此外,通过软件模拟计算玻璃微珠的二次彩虹现象,并对微珠的折射率进行了测量,验证了二次彩虹方法的正确性,同时也表明玻璃微珠半径的变化对最小偏向角位置的偏移影响很小。实际测量结果表明,折射率随着半径的减小而增大,但是折射率变化很小,因此,引入折射率测量误差较小。统计测量方法能为玻璃微珠折射率的准确测量提供可靠的依据。

将长周期光纤光栅(lpg)和光纤sagnac环相结合,实现了折射率和温度的同时测量。首先利用二氧化碳激光器在保偏光纤上制作了长周期光纤光栅(pm-lpg),然后把该pm-lpg和普通单模光纤耦合器组成sagnac环,作为传感单元。实验选择其某一透射峰作为测试对象,其波长随温度变化,强度随折射率变化,因此可实现两个参量的同时测量。实验获得的温度灵敏度为-0.654nm.℃-1,折射率灵敏度为49.9db.riu-1。整个实验系统成本低、简单实用,具有较好的应用前景。

单模光纤与多模光纤的对比 作者：锅头 单模光纤多模光纤 中心玻璃芯很细，芯径一般为9或10μm。芯径较大，纤芯直径为50μm至100μm。 可用较为廉价的耦合器及接线器。 传输距离较长，根据目前的光电转换设备 来看，可以传输20~100km，理论上能达 到120公里。由于损耗小，传输长，光纤 主干布线大多用单模。 传输距离较短，最多传输5km。多用于较 短范围内的布线。 单模光缆价格比多模光缆便宜一些，但是 光电转换设备价格比多模较贵，所以整体 而言单模的总体价格要偏高些。 多模光纤布线总体价格要偏低。 色散小，损耗小。色散大，损耗大。 只能传一种模式光信号。可以传多种模式光信号。 使用激光二极管（ld）作为发光设备。使用发光二极管（led）作为发光设备。 通常用于连接办公楼之间或地理分散更 广的网络。 通常用于同一办公楼或距离先对较近的区 域内的网

纤芯失配的光纤Mach-Zehnder折射率传感器

对载氢掺锗石英光纤的紫外光敏特性以及载氢条件对光纤紫外光敏性的影响进行了系统地实验研究．实验结果表明:①载氢光纤的光致折射率改变随紫外曝光时间的变化规律(△n=3．3×10-4t0.31689)是先呈指数增长到达一定的时间基本达到饱和,如果继续照射,光致折射率改变继续增大,并对紫外光敏机理进行了讨论;②随着载氢压力的增大,光纤的紫外光敏性呈正比例增大,两者之间的关系为△n=1．34×10-5+4．66×10-5p;③掺锗石英光纤的紫外光敏性的大小随着载氢时间的延长,呈指数增长,最后达到饱和．

单模光纤的特性参数

根据菲涅耳公式和功率反射系数关系式,分析纤芯失配型光纤传感器折射率传感原理;采用单模/多模光纤制作传感器,研究传感器输出光功率随甘油溶液折射率变化特征,并验证理论计算结果。表明媒质折射率n_2=1.300～1.441时,传感器输出光功率强且几乎不发生变化;n_2=1.441～1.452时,传感器输出光功率呈线性快速下降,其斜率为-155.91;当媒质折射率与单模光纤包层折射率接近时,传感器输出光功率几乎为0。验证实验发现,传感器线性快速下降的折射率范围为1.442～1.454,斜率为-49.67,其输出光功率随甘油溶液折射率变化规律与数值模拟结果基本一致。该传感器具有结构简单、成本低、传感系统全光纤化等特点,能用于有毒有害、易燃易爆等特殊环境下物质折射率的高精度测量。

为了研究单模光纤对城域网和接入网以及ftth的容量与性能的提升,使用大功率、窄线宽的高性能光纤激光器作为系统光源,分别测量了3种光纤到户用单模光纤的受激布里渊散射(sbs)阈值。从理论上分析了光纤sbs阈值估算公式及影响阈值的因素,理论估算值与实验测量值吻合很好。实验发现的一种g,652d光纤具有高达12mw的sbs阈值,对此进行了分析。

光纤色散 在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必 然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象称为光纤的色散或弥散。 光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。同时，在多模光纤 中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是说上述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成。 光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散四种。其中，模间色散是多模光纤所特有 的。 这四种色散作用还相互影响，由于材料折射率n是波长λ（或频率w）的非线性函数，d2n/d2λ≠0，于是不 同频率的光波传输的群速度不同，所导致的色散成为材料色散。 由于导引模的传播常数β是波长λ(或频率w)的非线性函数，使得该导引模的群速度随着光波长的变化而变 化，所产生的色散成为波导色散（或结构色散）。 偏振模色散指光纤中偏振色

单模光纤的选用

主要探讨了折射率与增益的共同导引下,折射率径向平方律变化的增益引导光纤束缚因子的大小。首先解出了折射率径向平方律变化的增益引导光纤的场解,然后由波印廷定理推导得出了光纤中束缚因子的计算公式,最后利用数值计算的方法,得到了这种光纤在单模传输下的束缚因子的大小范围。结果显示:折射率平方律变化的增益导引光纤具有比折射率阶跃变化的增益导引光纤更好的束缚能力,利用这种光纤能使光纤激光器得到更高的输出功率。