物理学论文_基于光纤瑞利散射的高分辨力光谱分

文章目录

摘要

Abstract

主要缩写及含义

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 光谱分析方法研究现状

    1.2.1 干涉调制型光谱分析方法研究现状

    1.2.2 色散型光谱分析方法研究现状

    1.2.3 滤波型光谱分析方法研究现状

1.3 本领域存在的科学问题和关键技术问题

1.4 课题的主要研究内容

第2章 光纤光散射耦合演化模型研究

2.1 引言

2.2 光纤中熵起伏和声学支声子的演化模型研究

    2.2.1 熵起伏和声学支声子的来源分析

    2.2.2 电致伸缩对声学支声子的驱动过程分析

    2.2.3 材料热吸收对熵起伏的驱动过程分析

2.3 材料激发对光场的反向调制作用分析

    2.3.1 光功率演化模型研究

    2.3.2 稳态小信号解析解

    2.3.3 光纤瑞利散射和布里渊散射的耦合规律研究

2.4 本章小结

第3章 基于变径光纤的布里渊散射抑制方法研究

3.1 引言

3.2 纤芯直径对光纤物理场的调制作用

    3.2.1 纤芯直径对声场的调制作用分析

    3.2.2 纤芯直径对光场的调控作用分析

3.3 基于环形石墨加热子的变径光纤制作技术

    3.3.1 基于环形石墨加热子的拉锥装置介绍

    3.3.2 变径光纤的制作原理

    3.3.3 变径光纤的几何形状分析

3.4 变径光纤中的光散射演化研究

3.5 本章小结

第4章 光谱分析方法的总体设计研究

4.1 引言

4.2 光谱分析系统的设计

4.3 信号分离模块设计

4.4 波长调谐及标定模块设计

    4.4.1 可调谐光源设计

    4.4.2 高精度实时波长标定方法研究

4.5 本章小结

第5章 光谱分析方法的实验验证研究

5.1 引言

5.2 光纤光散射耦合演化模型的实验验证研究

    5.2.1 实验装置

    5.2.2 Corning(?) SMF-28e(?)光纤中的光散射演化结果分析

    5.2.3 变径光纤中的光散射演化结果分析

    5.2.4 光纤瑞利散射等效滤波器的实验验证研究

5.3 光谱分析方法的性能测试实验

    5.3.1 实验装置

    5.3.2 光谱分析方法的动态范围测试

    5.3.3 光谱分析方法的光谱分辨力测试

5.4 光谱分析方法的典型光谱测量实验

    5.4.1 相移光纤光栅反射光谱的测量结果分析

    5.4.2 F-P标准具透射光谱的测量结果分析

    5.4.3 F-P扫描干涉仪透射光谱的测量结果分析

5.5 本章小结

结论

附录A

附录B

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

致谢

个人简历

文章摘要:随着对光与物质间相互作用认识的不断深入,以光学回音壁模式（WGM）谐振腔、飞秒光学频率梳（OFC）为代表的新型光子器件得到了广泛应用,使得光学传感﹑物质分析、医学诊断以及环境监测等领域中的一些精细变化（如微纳颗粒结合动力学过程、痕量气体理化性质改变等）得以以亚fm量级的光谱响应表征出来。然而,现有的通用光谱分析方法或受限于分光元件的调制精度与加工精度,或受限于等效滤波器的构造原理,其光谱分辨力无法达到fm甚至是亚fm量级,远不能满足新型光子器件的光谱测量需求。本文围绕新型光子器件的亚fm量级光谱分辨力需求,针对基于光纤瑞利散射的光谱分析新原理,从物理模型建立、光纤布里渊散射抑制方法研究以及高精度实时波长标定方法研究三个方面开展了理论研究与实验验证。本文的主要研究内容如下:第一,开展光纤中瑞利散射和布里渊散射间的耦合演化模型研究。从Boyd模型入手,通过将光纤的圆柱形几何形状抽象为Navier-Stokes方程、热传导方程以及连续性方程的边界条件,揭示了光纤作为波导影响熵扰动及声学支声子演化的物理机理;通过联立熵起伏演化方程、声学支声子演化方程以及非线性波动方程,综合分析了光纤中瑞利散射频率选择特性的来源;通过引入泵浦抽空机制进一步分析了瑞利散射与布里渊散射间的耦合规律。研究结果表明,光纤瑞利散射的频率选择性优于光纤布里渊散射,适合构建窄线宽等效滤波器并用于高分辨力光谱分析。第二,针对光纤瑞利散射信号易被布里渊散射淹没的问题,开展光纤布里渊散射抑制方法及瑞利散射信号分离方法研究。在对圆柱形正规波导中的声场、光场分布进行研究的基础上,结合环形石墨加热子熔融拉锥技术的工艺特点,将变径光纤离散为数段圆柱形正规波导,并分别调控其几何形状与声场分布,抑制了布里渊散射沿光纤轴向的积累作用。研究结果表明,当变径区域的直径和占空比分别为75μm和0.02时,光纤瑞利散射的增益可提升6%。在此基础上,利用瑞利增益谱和布里渊增益谱之间固定相差一个布里渊频移（BFS）的特征,通过外差干涉仪结构将两种散射光中所含的信息从光频域平移至射频/微波频段,并利用低通滤波器提取其中的瑞利散射信号。第三,针对由于调谐非线性引起的,Mach–Zehnder干涉仪波长标定结果的精度下降甚至失效问题,开展高精度实时波长标定方法研究。通过引入闭环谐振腔结构代替原有方法中的开环Mach-Zehnder干涉仪结构,迫使待测光束反复经过延时光纤,从而使标定装置对相位差的敏感性转化为对绝对频率的敏感性;通过将腔长略有差异的两谐振腔组成游标,并利用其透射谱的包络结构和精细结构同时对待检信号光的波长进行标定,可对调谐过程中的高阶非线性和低阶非线性进行补偿。研究结果表明,该方法可对非线性调谐的待检信号光波长进行高精度实时标定。最后,开展系统集成及验证性实验研究。通过实验对光纤光散射耦合演化模型、基于变径光纤的布里渊散射抑制方法以及基于光纤瑞利散射的光谱分析方法进行验证。对光谱分析方法的性能测试实验表明,所提出的方法具有优于10 k Hz的光谱分辨力（在1550 nm的工作区间对应0.08 fm）以及约20 d B的动态范围,可满足光学传感、物质分析等领域光子学器件的光谱测量需求。

文章来源：《光谱学与光谱分析》 网址: http://www.gpxygpfxzz.cn/qikandaodu/2022/0130/538.html