多芯光子晶体光纤激光器及光子晶体光纤表面等离子体共振传感研究

摘要

光子晶体光纤以其灵活的结构设计和优异的光学性能受到广泛关注，成为光纤光学领域中研究的热点，尤其在光纤激光和光纤传感领域中尤为突出。本文从理论和实验出发研究了多芯光子晶体光纤和柚子型光子晶体光纤在以上两个领域中的应用：利用有限元法数值模拟了多芯光子晶体光纤激光器的模场和温度分布特性；开展了18芯光子晶体光纤激光器的近场同相位超模选择及纵向温度分布的实验研究；数值模拟并实验分析了基于柚子型光子晶体光纤的表面等离子共振传感特性。
　　本文的主要工作和创新点归纳如下：
　　1.理论分析了多芯光子晶体光纤激光器的模式耦合原理及超模分布特性，利用有限元法分别对具有16芯矩形阵列结构及18芯和19芯环形阵列结构的光子晶体光纤激光器的超模分布特性进行了数值模拟分析。
　　2.分析研究了光纤激光器的泵浦耦合系统，采用Basic语言对耦合过程进行了可视化编程设计，分析了不同透镜组合的耦合特性；通过选用两块凸面相对的非球面透镜组成了泵浦耦合系统，实现了对泵浦光1:1的高效空间耦合；利用显微物镜和CMOS图像传感器结合图像处理技术自主设计了一套光纤激光器近场观测装置，实现了对光子晶体光纤端面的显微成像，并实时观测了18芯PCF激光器的近场模式分布特性；采用折叠腔和小孔选模技术实现了18芯PCF激光器同相位超模的选模输出，当泵浦功率为33.75W时获得了14.85W的1037nm单一波长的激光输出。
　　3.理论分析了PCF激光器的热传导机理，利用有限元法数值模拟了高功率泵浦下单芯、18芯和19芯PCF激光器的端面热分布特性；采用光纤光栅阵列温度测量方法实验测量了18芯PCF激光器在自然散热条件下的纵向温度分布特性，结合数值模拟方法分析研究了其三维温度分布特性。
　　4.数值模拟了采用五瓣和六瓣结构的柚子型光子晶体光纤的表面等离子共振传感特性；模拟研究了镀银薄膜、填充银纳米线及混合填充三种金属介质填充方式对PCF-SPR传感特性的影响；开展了基于六瓣柚子型PCF的镀银薄膜实验并研究了其表面等离子共振特性。

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第一章 绪论

1.1 光子晶体光纤及其特性

1.2 光子晶体光纤激光器

1.3 基于表面等离子共振的光子晶体光纤传感技术

1.4 论文的主要内容

第二章 多芯光子晶体光纤激光器模式分析研究

2.1 掺Yb3+双包层光子晶体光纤激光器的理论分析

2.2 耦合模理论

2.3 多芯PCF激光器超模数值模拟分析

2.4 本章小结

第三章 18芯光子晶体光纤激光器近场实验研究

3.1 泵浦耦合系统设计

3.2 光纤激光器近场观察装置

3.3 18芯PCF激光器超模特性分析

3.4 本章小结

第四章 多芯光子晶体光纤激光器温度特性研究

4.1 PCF激光器传热机理分析

4.2 高功率PCF激光器热分布特性数值模拟分析

4.3 18芯PCF激光器三维热分布特性研究

4.4 本章小结

第五章 基于柚子型PCF的SPR传感特性研究

5.1 PCF-SPR传感原理

5.2 柚子型PCF-SPR数值模拟分析

5.3 基于六瓣柚子型PCF的SPR实验研究

5.4 本章小结

总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢