依据包层模有效折射率的概念及包层模场的光功率密度分布, 重新审视了镀膜长周期光纤光栅“模式转换”现象, 对“模式转换”给出了新的物理图像.通过修正镀膜长周期光纤光栅包层模有效折射率的范围, 指出有效折射率呈现的台阶式增长是各次包层模自身属性的反映, 不存在高次模式替代低次模式的过程, 并将“模式转换区”重命名为“模式垒区”.通过分析包层模场的光功率密度分布, 指出“模式转换区”较低次包层模式进入薄膜层传输说法的不合理性.研究表明, 当薄膜厚度达到一定厚度时, 包层模场光功率分布将愈加集中在薄膜层内部, 但并非沿着薄膜层传输.讨论了镀膜长周期光纤光栅传感器薄膜参数优化的问题, 在修正的包层模有效折射率范围和未修正的包层模有效折射率范围的情况下分别进行优化, 并对优化结果进行比较, 结果表明两种情况下的优化结果存在较大的偏差.从机理上解释了修正薄层模有效折射率范围后的优化结果的正确性, 为设计高灵敏镀膜长周期光纤光栅传感器提供了新的理论指导.

基于耦合模理论, 首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换, 划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。 分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性, 包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。 在此基础上, 研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况, 结果表明, 相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区, 包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。 最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应, 进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案, 当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内, 光栅周期靠近相位匹配转折点时, 将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径, 将进一步提高传感器的分辨本领。

A high-sensitivity metal-coated long-period fiber grating (LPFG) sensor based on material dispersion is designed. Based on the coupled mode theory, the influence of the material dispersion on the dual-peak characteristics of the metal-coated LPFG is studied. After considering the material dispersion, the jumping region of the dual-resonant-wavelength shifts toward the thinner film thickness, and the sensitivity of the dual-peak metal-coated LPFG sensor to liquid refractive index (RI) can be obtained to supply accurate parameter combinations. Experimentally, two kinds of silver-coated LPFGs with different film thicknesses and grating periods are fabricated to monitor the salt solution, and the sensitivities of these two sensors are compared. The experimental results are consistent with the theoretical analyses.

用溶胶-凝胶法制备了Fe-Al2O3铁磁金属-非磁绝缘体基体薄膜。实验结果表明, 当Fe与Al2O3的质量比为1∶1, 热处理温度为420℃时, 所制备的薄膜具有最大的磁致旋光(Faraday)效应, 测得的费尔德(Verdet)常数V=(6.8×104)°/(T·cm)。通过分析, 得出了Fe-Al2O3薄膜巨磁Faraday旋光效应主要是由光、磁场与薄膜相互作用产生剧烈塞曼(Zeeman)分裂引起的。对影响薄膜Faraday旋光效应的各种主要因素进行了讨论。

对于涂覆长周期光纤光栅(LPG)传感元件，涂覆层折射率大于包层折射率时将具有很高的灵敏度。然而在涂覆层厚度为纳米量级时，涂覆层的折射率将具有一定的吸收，吸收将对LPG 传感元件产生一定的影响。本文在线偏振(LP)模近似理论和耦合模理论(CMT)的理论模型基础上，通过数值计算对这一情况进行研究讨论。详细分析了模式转变点附近和远离模式转变点区域涂覆LPG 的模式结构和透射谱情况。在无吸收的理想模型基础上，详细分析了消光系数对模式转变和重新组合的影响，以及模式结构的转变对LPG 透射谱的影响，得出吸收将会导致LPG 灵敏度、可测量的动态范围的变化。最后，文章给出了一种新型的LPG 吸收传感元件的模型。

指出Kretschmann模型的传统表面等离子共振公式在求解金属薄膜的参量时存在近似性，采用更为严密的薄膜光学理论，通过薄膜膜系的特征矩阵，得出表面等离子体共振衰减曲线.结果表明，表面等离子体共振近似理论与薄膜光学理论得到的共振角及反射率幅度存在差别；采用等高线图，给出了共振角差随着金属介电常量的变化规律.进一步的实验表明，薄膜光学理论所得模拟结果较表面等离子体共振近似理论与实验值吻合地更好，证明薄膜光学理论应用在表面等离子体共振效应要优于常用的近似理论.最后，采用两种理论对表面等离子体共振传感器进行优化设计，结果表明，两种理论所获得的高灵敏度分布区域差异较大，必须采用薄膜光学理论提供更精确的薄膜参量，来优化设计高灵敏度表面等离子体共振传感器.

根据金属薄膜复介电常量的性质和衬底对表面等离子波波矢的微扰,对在波长调制下的表面等离子共振传感器输出光谱的半波全宽计算方法进行了探讨.建立了输出光谱的半波全宽与传感器各参量之间关系的数学表达式.将理论研究与实验结果进行对比后发现,两者吻合较好.文中的研究结果可为优化传感器的特性提供理论依据.

设计了一套用于研究磁性液体的场诱导静态和动态光衍射特性的实验装置.通过在样品的后方放置一个适当孔径的光阑,实现了定量研究其衍射特性的目的.采用沿衍射方向移动光阑的方法定量地研究了衍射光的空间分布.设计了一个指数衰减函数用来拟合动态衍射实验的数据,获得动态衍射的特征时间.以两种不同浓度的表面包覆型水基氧化铁磁性液体样品为例,定量地实验研究了其场诱导光衍射特性与外磁场强度和样品浓度的关系.结果表明,磁性液体的场诱导结构对光的静态和动态衍射与外磁场的强度和磁性液体的浓度有关.其静态衍射与外磁场强度呈非单调的关系; 其动态衍射的特征时间与外磁场的强度成反比,与磁性液体的浓度成正比.对实验中观察到的场诱导静态和动态衍射特性的物理机理进行了详细的分析.

采用严格的耦合模理论, 建立了两层膜系长周期光纤光栅复特征方程,用微扰法对复特征方程进行求解, 结果和D.V.Ignacio的结论相符.求得的谐振波长表明其随膜层厚度和膜层折射率变化明显, 受消光系数影响很小.重点提出了两种途径来优化膜层参量组合, 以获得较大的谐振波长偏移量, 计算结果显示, 参量组合取值为(h3=122.76 nm,h4=400 nm)和(n3=1.572 2, h4=400 nm)时, 谐振波长偏移量分别为10.35 nm和11.74 nm, 远高于只镀一层敏感膜LPFG的偏移量2.78 nm, 从而证明敏感膜层厚度(h4)较大的参量组合可提高传感器的灵敏度.

通过求解严格的耦合模理论建立的三包层结构长周期光纤光栅特征方程，研究了三包层长周期光纤光栅谐振波长与第二包层(薄膜)的折射率和厚度之间的关系。结果发现，随着膜厚及折射率的增大，谐振波长偏移的变化分成三个区域，这与Nicholas D R的实验结果相符。利用HE／EH模的判据数，对三个区域的模特性进行了分析，给出了区域划分的衡量标准。给出了在不同薄膜参数时的长周期光纤光栅透射谱，发现一阶低次HE模式的耦合强度要远大于一阶低次EH模式。