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PCF热传导与形变机理及在熔接和光栅制备中的应用研究

【摘要】:光子晶体光纤是一种新型光纤,也称为微结构光纤或多孔光纤,由于其包层排列有周期性或随机性分布的微米量级的空气孔,使其具有很多普通光纤所没有的奇异特性,如高非线性、色散可控性、高双折射性、无限单模特性和大单模模场等特性,利用这些特性学者们制作了各种传感器、激光器、色散补偿器和陀螺仪等光纤器件。在光纤器件的研发过程中均涉及对光纤的热熔的控制,而对热熔中光子晶体光纤的热传导特性和热致空气孔的形变特性的系统研究却未见报导。为此,本文提出对二氧化碳激光光场作用的光子晶体光纤热传导和空气孔形变机理进行研究,建立光子晶体光纤的热传导及空气孔形变模型,并将此应用于光子晶体光纤的熔接和光栅制备中。本文的主要研究内容如下:首先,研究光子晶体光纤的三维瞬态热传导模型。论文从基本热传导方程出发,分析光子晶体光纤在热源作用下温度场沿径向与轴向的分布规律;研究温度场作用下的空气孔形变模型,分析不同加热方式对光纤空气孔形变的影响规律。其次,研究二氧化碳激光作用下光子晶体光纤热传导和空气孔形变模型在光纤熔接中的应用,重点研究熔接能量、熔接偏移量等熔接条件与光子晶体光纤结构参数之间的动态关系,并给出理论计算公式,为光子晶体光纤的实际熔接奠定理论基础。同时搭建二氧化碳熔接系统,通过熔接实验验证理论的指导意义。然后,研究二氧化碳激光作用下光子晶体光纤传导和空气孔形变模型在光子晶体光纤的长周期光栅制备中的应用。在非对称加热的温度场分布下,研究无空气孔塌陷的光子晶体光纤长周期光栅新的制备方法,提出利用周期性扭转引入光纤横截面切向应力,引入折射率的周期性调制的方法形成光栅。论文从理论上分析这种光栅的形成机理及光谱特性;研究如何控制二氧化碳激光能量,使光子晶体光纤在刻栅制备时既达到热熔点又不会造成空气孔的塌陷,为扭转长周期光栅制备提供理论指导。最后,搭建制备扭转长周期光栅实验系统,研究扭转法制备光子晶体光纤长周期光栅制备技术及工艺参数。以实现光子晶体光纤扭转长周期光栅的制备,再将其与传统热激法制备的光子晶体光纤长周期光栅性能进行对比,在此基础上研究扭转长周期光栅的传感特性。

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