飞秒激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器微槽实验研究(特邀)

光纤温度传感器相较于传统光学功能器件具有损耗小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等优点,其中的光纤法布里-珀罗传感器更因其结构简单紧凑、稳定性好、易于制造受到广泛关注。光纤法布里-珀罗传感器功能结构的传统加工工艺存在工艺复杂、加工效率低下、热影响区严重等问题。光纤作为纤细透明的脆性材料,激光作为非接触的加工方式和微米尺度的聚焦光斑可以有效避免机械性破坏同时可以实现多样性的加工,已经广泛应用于光纤温度传感器的加工。目前,激光加工依然存在纤芯区域粗糙度高、平行度低、加工质量较差等难题。为了确保激光加工的法布里-珀罗腔能够满足传感性能要求,文中进行了飞秒激光加工法布里-珀罗腔的工艺实验研究,得到了不同激光参数、扫描路径对加工法布里-珀罗空气腔的影响规律,发现采用往复式扫描方式并在激光功率选用10 mW、扫描速度100μm/s、扫描间隔4μm、扫描分五次逐次向下进给5μm的工艺参数组合后,可以加工出两反射面接近平行(87.95°),侧壁光滑、面粗糙度稳定在2~4μm的良好形貌法布里-珀罗腔。加工了5种不同腔长的光纤中,腔长为80μm的传感器性能最优为21.07 pm/℃。将腔长为80μm的传感器封装在3种金属管中进行测试,结果证明激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器的质量得到了进一步优化,性能进一步提升。但不同的封装材料会较大影响传感器的探测效果,结果发现封装材料的热膨胀系数越大,温度传感器的响应特性越好。

基于高阻表面和波纹槽结构的法布里-珀罗天线研究

针对尺寸有限的法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)天线副瓣较大、增益带宽窄的问题,提出了一种基于高阻表面和波纹槽结构的新型FP天线模型.同时使用三维全波电磁场仿真软件CST就传统FP谐振结构、周期性以及非周期性加载高阻表面阵列和波纹槽结构对天线辐射性能的影响进行数值分析.模拟和实验测试结果表明:与传统FP谐振结构相比,加载周期结构仅能在较窄频带内提高天线增益,而加载非周期结构能使该天线增益在更宽频带内得到提高且其增益稳定性更好.

复合法布里-珀罗共振声学结构实现亚波长超声聚焦的研究

提出一种多通道的声学结构,实现超声平面波的亚波长聚焦。该声学结构由整数倍长度的亚波长孔径组成,所有的通道同时产生法布里一珀罗共振,含有亚波长信息的倏逝波与结构中的透射共振模式耦合放大,实现亚波长聚焦;进一步在结构表面添加凹槽,延拓结构表面的周期性,可提高特定频率处的透射增益和亚波长聚焦分辨率。研究结果表明该结构能够在宽频带实现亚波长聚焦,增加传输增益。该结构在医学超声成像以及治疗具有潜在的应用价值。

用于灵巧结构的光纤法布里-珀罗传感器

简要介绍用于灵巧结构的各类光纤法布里-珀罗传感器的制作技术、系统结构及其在灵巧结构中的应用。

双腔法布里-珀罗腔透射特性

基于单腔和双腔结构的法布里-珀罗(F-P)腔透射光强度公式,研究了单腔F-P结构的镜面反射率与腔长对透射谱线的影响;在总腔长相同时,模拟分析了单腔、对称及非对称双腔的透射光谱特性;分析了镜面反射率对非对称双腔F-P结构透射光谱的影响。结果表明:无论单腔还是双腔的F-P结构,镜面反射率增加导致输出峰的峰值半高宽(FWHM)减小;腔长度增加会导致输出谐振峰间距减小,而通过调节腔长比例系数和选择镜面反射率,总长度相同的双腔能在不减小主谐振峰透射率的同时增加谱线间距。最后,讨论了镜面反射率对输出谱线FWHM以及腔长微小形变对中心谐振峰的位置、FWHM和透射率的影响。

基于法布里-珀罗干涉仪的激光谱线特性测量研究

法布里-珀罗干涉仪(简称F-P干涉仪)是具有高光谱分辨能力的光学测量仪器.通过分析F-P干涉仪的干涉图样,能够测量光谱学中的超精细结构,因此在精密光学测量领域中具有重要的研究意义.本文从F-P干涉仪的基本特性出发,介绍干涉仪的基本结构,着重阐述了基于F-P干涉仪的激光谱线特性测量方法,以期为教学与科研提供参考.

基于法布里-珀罗腔产生飞秒激光脉冲串在硅表面诱导高质量亚波长周期条纹(特邀)

为了制备高质量表面周期结构,利用法布里-珀罗腔对飞秒激光进行时域整形,输出子脉冲间隔在1~300 ps内灵活可调的飞秒激光脉冲串,在硅表面诱导亚波长周期条纹。实验结果显示,利用飞秒激光脉冲串诱导得到的亚波长周期条纹明显优于原始高斯光诱导的亚波长周期条纹。利用子脉冲间隔为100 ps的脉冲串诱导的亚波长条纹最佳,条纹周期为1008 nm,结构取向角为2.8°,边缘粗糙度为3.9 nm,可达到光刻工艺的标准。

光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器的灵敏度分析

理论上推导了光纤法布里-珀罗复合结构传感器的反射光谱条纹对比度与外界介质折射率的关系,并分析了实验参数对传感器灵敏度的影响.利用化学腐蚀渐变折射率多模光纤制作了光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器,空气中的条纹对比度可达30dB以上,折射率测量的灵敏度达45dB/RIU(refraction index unit,简RIU)以上.实验结果与理论符合很好.通过理论和实验分析,提出了进一步提高传感器灵敏度的方法.

基于Fabry-Perot结构的多通道滤光片的设计

以法布里 珀罗结构为模型,通过调整腔体间隔层的结构,在理论上得到了具有多通道特性的滤光片。为了控制通道间的宽度及位置,对不同折射率材料和不同腔体间隔层结构进行了模拟计算,得出了基于Fabry Perot结构的多通道滤光片的通道间隔可以通过选择不同的材料及改变腔体间隔层的结构来改变的结论。

基于微结构法布里-珀罗干涉仪的光纤光栅脉搏波解调方法

提出了一种基于微结构法布里-珀罗干涉仪(MS-FPI)的光纤光栅(FBG)脉搏波解调方法。所提出的MS-FPI由单模光纤和光子晶体光纤(PCF)熔接而成,通过特殊的工艺在熔接端面形成微气泡构成布里-珀罗(F-P)腔,其尺寸约为48μm。该MS-FPI经再涂覆后具有较好的机械强度,可作为纱线织入织物。其干涉谱在弯曲直径4cm范围内,基本保持不变,且具有极低的温度灵敏度,适合作为解调滤波器。对该波长解调方法进行理论分析和实验研究,结果表明,所设计的解调系统在FBG脉搏波范围内可实现线性解调,具有较好的测量重复性,解调灵敏度约为43mV/pm;所解调出的脉搏波与商用解调仪的结果一致,通过与光电容积脉搏波的对比,证明了所设计系统解调脉搏波的正确性。

基于SU-8光刻胶光纤法布里-珀罗加速度传感器

基于SU-8光刻胶的高深宽比加工技术,设计了对加速度敏感的悬臂梁-质量块结构。理论推导了加速度与SU-8光刻胶悬臂梁-质量块结构的挠度、法布里-珀罗(F-P)腔的干涉光强之间的关系,得到了简化的计算公式,并讨论了传感器灵敏度和固有频率等主要影响因素。提出了一种新的"卍"形悬臂梁-质量块结构,分析和确定了传感器结构的各项参数。研究结果表明,"卍"形SU-8光刻胶结构能够得到较高的灵敏度,具有良好的检测模态,仿真结果与理论分析吻合,可以基于法布里-珀罗干涉原理实现对加速度的传感。

基于MEMS声敏结构的光纤声波传感器

基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)工艺加工声波敏感结构,将声波敏感结构与光纤端面构成非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)感知声波。研究了不同厚度和不同增敏环数的声压敏感薄膜结构对声波探测性能的差异,对比了信噪比测试结果。实验结果表明,针对400 nm和1000 nm厚度的声敏薄膜,在相同的测试条件下,前者的声敏结构位移更大、频率响应的信噪比更高。在相同薄膜厚度条件下,具有增敏结构的MEMS薄膜可以释放薄膜的初始应力,降低薄膜的刚性,相比无增敏结构的MEMS薄膜具有更高的灵敏度。

基于水凝胶的颜色动态可调的金属-介质-金属结构

提出一种基于聚乙烯醇水凝胶(PVA)的金属-介质-金属结构,用于实现颜色动态可调的结构色传感器。利用PVA薄膜对相对湿度的溶胀/收缩和折射率变化响应,并结合法布里-珀罗(F-P)共振效应,实现了F-P共振波长随相对湿度变化而发生偏移,结构色随环境相对湿度的改变而变化。实验结果表明,当环境相对湿度在3.0%~84.2%范围内变化时,结构的颜色会发生显著变化,在CIE 1931色度空间中显示为坐标顺时针旋转,平均相对湿度灵敏度可达0.998 nm/%。该传感器色彩显示丰富,颜色随相对湿度变化明显,灵敏度较高,响应迅速,在湿度传感结合色彩显示的环境检测研究领域具有良好的应用前景。

光通信系统中新型可调谐半导体激光器的设计

为了适应当前光通信系统对波长可调谐激光器的需求,提出用游标效应来实现波长可调谐的激光器,设计了一种功率稳定且频率可调的三段式开槽法布里-珀罗结构可调谐半导体激光器,给出了系统结构的设计原理,并进行了理论分析和实验验证。取得了三段式开槽法布里-珀罗结构可调谐半导体激光器激射谱叠加图数据,利用光纤延迟自外差法测量激光器线宽,对比了3种不同激光器的线宽测量曲线。结果表明,基于游标效应设计的新型开槽法布里-珀罗可调谐半导体激光器波长调谐机制简单方便,且具有很好的单模性和信道切换能力。该研究在未来的光通信领域中具有一定的应用价值和实际意义。

基于超材料的新型低剖面谐振腔天线

根据法布里-珀罗谐振腔理论,设计并测试了一款新型双S低剖面天线。该天线采用加载超材料表面的方法,用以降低法布里天线的谐振距离。理论分析发现,双S型超材料表面在特定频段内具有负相位特性,根据法布里-珀罗谐振条件可以降低谐振腔体天线的剖面。实验结果证明,天线的谐振距离降低至λ/12.7,远远小于传统天线的λ/2。

LED标准具结构对差分吸收光谱系统探测NO_2的影响及去除方法研究

发光二极管(LED)作为一种新型光源,应用于差分吸收光谱技术(DOAS)中具有较大潜力。但一些LED灯谱中的法布里-珀罗标准具结构影响DOAS的反演。分析了一种蓝光LED(Luxeon,LXHL-LR3C)灯谱中出现标准具结构的原因,研究了这些结构与入射角度之间的关系。通过改变LED的入射角度,可以使LED灯谱变得平滑,达到去除LED标准具结构的目的。在长光程DOAS上进行了四种不同入射角度下测量大气NO2的实验,并与传统的氙弧灯长光程DOAS测量结果进行了比较。结果显示,当LED倾斜30°入射时,两者的测量结果有很好的一致性,系统的探测极限也只有正入射时的13%左右。说明只要选择合适的入射角度,使LED谱平滑,就可以有效去除LED标准具结构对DOAS反演的影响。

半导体纳米线和氧化硅微光纤环型结复合结构激光器

基于ZnO，CdS，GaN等半导体纳米线的微纳激光器近年来引起了研究者的广泛关注。目前用来实现微激光器的激光振荡的谐振腔主要有法布里-珀罗（F—P）腔、赝环形腔等。在这些研究中，半导体纳米线不仅作为增益介质，而且是激光谐振腔的主体。由于纳米线直径较小且存在衬底，在纳米线结构外面的倏逝波会从纳米线的边缘扩散出去或扩散到衬底中，从而引起较强的损耗，限制谐振腔的品质因子（Q值），增加激光器的阈值。

亚波长单金属槽电磁场增强分析

针对金属微纳结构在表面增强拉曼光谱领域的应用,研究了金属基底亚波长单槽结构产生的电磁场增强。采用全矢量方法严格计算了平面波照明下金属槽外部区域电磁场的分布情况。建立了法布里-珀罗(F-P)半解析模型,该模型能够精确预言全矢量方法的计算结果,能够节省设计最优槽深的计算量。基于该模型分析了金属槽外部区域电场增强的物理机制,结果表明达到相长叠加共振状态的金属槽内基模在槽外空间中激励的透射电场是金属槽外空间中电场增强的主要来源。研究了槽外空间电场增强的范围,结果表明对于不同的槽宽和入射波长,在垂直距离槽口0.1倍波长的范围内电场增强较为明显,在该范围之外,电场增强因子迅速衰减到1的数量级。

宽截止窄带高反射滤光膜设计

窄带高反射滤光膜在光通讯、光学探测仪器等领域有着重要应用。探讨了"基片│H(LH)m1αL(HL)m2βCrM│空气"膜系结构的窄带高反射滤光膜系,讨论了金属Cr层厚度,以及两种不同的匹配膜系对滤光膜特性的影响,计算了Cr层内部的电场分布。结果表明,较厚的金属层可实现更宽的截止带宽,匹配层的加入有效地实现了宽截止带的深截止,使中心波长处导纳为较大值的匹配膜系可以更好地实现滤光膜宽截止、窄带高反射特性;匹配膜层使中心波长处Cr层内部的电场强度趋于零,有效地降低了整个膜系的吸收,提高了反射率。

基于EFPI和FBG传感器的光纤智能夹层系统研究

以光纤自诊断系统为研究对象,围绕光纤智能夹层(FOSL)制作和标定中的相关理论及技术展开较深入的研究。采用聚酰亚胺薄膜制作了基于非本征法布里珀罗干涉型(EFPI)传感器和光纤布拉格光栅(FBG)传感器的FOSL。制作过程中,光纤传感器性能完好,FOSL的埋入对复合材料强度影响较小。在此基础上,对FOSL试件中的EFPI和FBG传感器进行了四点弯曲试验。试验表明,FOSL中,EFPI传感器的应变与载荷、FBG波长偏移与应变之间均具有良好的线性关系;在FOSL的制作中,可以选用EFPI和FBG传感器同时监测结构应变和温度。利用FOSL中的光纤传感器网络和先进信息处理技术,可以建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。