硫系拉锥光纤中产生中红外超连续光源的输出特性研究

摘要

光纤中超连续谱的产生在包括荧光成像、荧光寿命成像（FLIM）、全反射式荧光显微系统（TIRF）、分子识别、光学相干层析术（OCT）、红外定向对抗等科学研究领域应用前景非常广阔。目前，对于超连续谱的研究焦点主要集中在宽频带超连续谱的发展、提高超连续谱中特定的光谱分量以及降低超连续谱产生的阈值。在中红外区域由于所有的有机化合物都表现出各自不同的光谱痕迹，从而可以揭示他们的化学结构，因此近些年吸引了众多研究者的注意。中红外区域对于包括食品质量控制、气体探测、内科检测学等应用有着至关重要的影响。要想得到展宽至中红外甚至远红外的超连续光谱，需要玻璃光纤材料有着极高的非线性系数以及极宽的透过光谱，满足上述条件最好的材料选择是硫系基质玻璃材料。硫系玻璃之所以成为制备新型的微纳光器件的最佳材料，是因为它具有较长的红外透过范围以及较高的红外透过率（透过范围0.5～25μm）、极高的折射率（2.0～3.5）、声子能量系数极低、极高的非线性系数n2（高于石英材料几百倍）、双光子效应吸收系数α2较小、极短的非线性响应时间（小于200fs）等与众不同优异的光学性能，并且我们可以通过改变玻璃组分调整其光学性能以满足需要，另外硫系玻璃与硅基质半导体材料（CMOS）在制备上互相兼容，以硫系玻璃为基质材料制备成的微纳量级光学器件在低阈值红外激光器的研制，全光纤控制开关，超连续光源激光器，非线性光纤光学应用，生物传感器应用技术等领域应用前景十分广阔。光纤拉锥技术是一项重要的光纤后处理手段，可以帮助我们极大的增加光纤的非线性参数γ，并且可以调节光纤的总色散从正常色散区到零色散甚至反常色散区。拉锥光纤由于具有低的光学损耗、很高的表面光洁度因此受到广泛关注，也极大的促进了拉锥光纤中产生中红外超连续光谱的发展。
　　本文拟以从硫系拉锥光纤中获得高质量的中红外超连续光源为目的进行安排研究，先从理论方面借助 Rsoft软件对硫系拉锥光纤的群速色散进行模拟计算，同时在理论层面上分析了硫系拉锥光纤中能量传输的效率及锥区光强变化，基于激光泵浦硫系拉锥光纤产生中红外超连续光谱输出的产生机理研究，然后在实验上建立了从硫系玻璃光纤预制棒制备、光纤拉制、超连续谱输出的实验平台和完整的技术链条。论文的内容安排如下：
　　论文第一章是绪论部分，综述了中红外超连续光源近几年的研究现状以及硫系拉锥光纤作为产生中红外超连续谱的一种很重要的高非线性光纤介质的特性，系统的提出了本论文课题研究的内容、课题开展的科学研究方法以及相关方向的研究意义。
　　论文第二章中我们对研究课题中涉及的基础理论进行了介绍，通过Rsoft软件中的Beamprop模块来模拟光纤中光场传导的模场变化规律，以此得到光纤的波长-色散图谱。通过对硫系拉锥光纤的波长-色散图谱分析可知光纤的拉锥过程中光纤的色散会随之变化。另外，我们模拟了超短脉冲在硫系拉锥光纤中的传输模式方程的数学表达，以此为算法基础得出非线性薛定谔方程的演变情况。另外通过Zemax软件模拟了改变锥形光纤的锥腰长度以及锥区直径等参数，得出这些参数的改变对锥形光纤传输特性的影响，这将为今后硫系拉锥光纤的制备与性能研究提供了很好的理论依据。
　　论文第三章是实验部分，介绍了硫系光纤制备工艺的完整流程，包括硫系基质玻璃组分的选取与制备、硫系玻璃性能测试、硫系光纤预制棒的制备、硫系光纤的拉制技术以及硫系光纤传输性能测试，其中提及一种改进的一次挤压法制备硫系光纤预制棒，根本上解决了普通挤压法的缺点与不足，使光纤预制棒制备技术更加的成熟，最后成功制备了单模尺寸和多模尺寸的硫系光纤，分别测试了它们的光学损耗及近场能量分布情况。
　　论文第四章从拉锥工艺的探索开始，参考石英光纤的拉锥工艺条件，并针对与硫系玻璃材料的性质特点，在此基础上进行技术改进，探索总结出一种适合硫系基质玻璃光纤的拉锥技术，同时也对拉锥过程的影响因素进行了深入研究，针对拉锥温度、拉锥速度以及牵引距离三个主要影响因素分别进行研究，总结出最适宜的牵引拉伸温度为Tg+30℃，而且锥区直径与拉锥速度成正比，实验上测得了牵引距离与锥区直径的关系曲线并与理论曲线进行对比发现基本吻合。另外通过对制备的纤芯直径为1.9μm，零色散点位于3.3μm的硫系拉锥光纤进行激光泵浦，在光谱仪上观察到的最大频谱展宽为1.5μm-4.8μm（受限于光谱仪量程）。
　　论文第五章是对全文的结论和今后研究方向的展望，总结了本论文在研究过程中取得的实验进展与理论成果，同时对基于光纤拉锥技术获得中红外超连续光源今后的发展方向进行了瞻望。

目录

声明

引言

1绪论

1.1超连续谱概述

1.2中红外波段超连续光谱的研究现状

1.3硫系拉锥光纤特性

1.4本论文研究内容及意义

2理论基础

2.1硫系拉锥光纤群速色散的模拟计算

2.2硫系拉锥光纤非线性效应

2.3硫系拉锥光纤中传输模式理论分析

2.4本章小结

3大NA值多材质硫系光纤的制备与传输特性研究

3.1硫系基质玻璃制备

3.2块状玻璃样品性能测试

3.3新型挤压法制备硫系光纤预制棒

3.4硫系光纤的拉制

3.5硫系光纤传输性能测试

3.6本章小结

4.1拉锥工艺的探索

4.2硫系拉锥平台的搭建

4.3硫系拉锥光纤的制备

4.4超连续谱的产生实验研究

4.5本章小结

5总结与展望

在 学 研 究 成 果

参考文献

致谢