光纤功能器件具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀、易于集成复用等独特优势,在微机械结构、生物医疗、海洋探测、航空航天等领域有着巨大的应用前景。飞秒激光具有超窄的脉冲宽度,在与材料相互作用时能够有效地避免热效应,具有较高的加工精度,因此被广泛应用于光纤功能器件制备。目前,利用飞秒激光直写技术、飞秒激光双光子聚合技术和飞秒激光水击穿技术等已制备出稳定可靠的三维高分辨率微纳光纤功能器件。主要介绍了光纤光栅、光纤干涉仪、光波导等光纤功能器件的飞秒激光加工技术发展状况,展望了飞秒激光加工技术的应用前景。

提出了一种基于多模干涉效应(MMI)的单模-多模-间隙-单模（SMGS）光纤悬臂梁振动传感器。采用光束传播法（BPM）对这种结构的光传输性能进行数值模拟，并通过有限元分析方法对光纤悬臂梁进行了振动模态分析，从理论上优化设计了该类光纤振动传感结构。在实验上制备了长度为22 mm的悬臂梁结构，详细研究了多模区光纤的长度对声频振动响应的影响。实验结果表明，该SMGS振动传感器在130 Hz时响应效果最好，对应的声压灵敏度为4 mV/mPa，线性相关系数为0.9962，线性度和可重复性良好，并且实验结果和理论模拟结果相符合。这种光纤振动传感器具有制备工艺简单、成本较低和灵敏度高等特点，有望应用于对某些具有特殊振动频率点的远距离振动传感。

为了实现高灵敏度液体折射率传感器的高效制备, 采用飞秒激光直写技术, 在光纤末端刻蚀出矩形凹槽, 辅以光纤熔接方法, 制备出一种基于光纤内双开口法布里-珀罗(F-P)干涉腔的折射率传感器。该传感器的液体折射率传感灵敏度达到1107.76nm/RIU。讨论了温度对该传感器性能的影响, 温度串扰小于0.0025nm/℃;基于海水含盐浓度与折射率的线性关系, 探讨了该传感器在海水含盐浓度传感测量方面的应用, 灵敏度为0.171nm/(mg·mL-1)。结果表明, 基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器具有干涉谱对比度高、线性响应良好、灵敏度高、不易受温度串扰、结构紧凑、制备简单高效等优点, 在生物、医疗、化学、环境等领域中有着广泛的应用前景。

为了实现高精度、低成本的液体折射率测量, 采用飞秒激光水辅助微加工技术, 制备出一种基于微孔结构的单模光纤液体折射率传感器。研究了传感器的传输损耗与孔内液体折射率及微孔长度的关系, 利用射线理论分析了传感的机理, 讨论了温度对传感器性能的影响。结果表明, 该传感器在折射率1.333~1.413区间具有良好的线性响应, 灵敏度达到157.48dB/RIU, 且不易受温度串扰。该传感器具有结构紧凑、制备简单、高灵敏度、温度不敏感和低成本等优点, 在生物化学测量领域中有着广泛的应用前景。

为了研究SiC晶体光学方面的应用, 利用飞秒激光冷加工的特点, 对SiC晶体进行精微加工, 研究了激光脉冲功率和扫描速率对光栅单元的影响, 选取适合SiC晶体飞秒加工的工作条件, 分别在晶体表面与内部加工出高质量的光栅。对加工好的光栅进行衍射通光实验, 计算其各级衍射角, 从而验证加工好的光栅周期; 并在1300℃高温下进行退火实验, 退火前后, 光栅参量无明显变化。结果表明, 该光栅适合在高温环境下使用。

考虑激光棒的热透镜效应对有源平平腔、平凹腔进行了数值计算, 分析了谐振腔内激光光斑及腔体的稳定性。实验中以Er3+:Yb3+共掺磷酸盐玻璃为工作介质, 成功地实现了平凹腔在常温下连续输出TEM00模的1.54μm激光, 最大输出功率为21.5mW, 光光转换效率达到了0.7%。

激光回波脉冲展宽是影响机载激光扫描仪性能的重要因素之一,本文给出了脉冲展宽与扫描角度和航高之间的关系;分析了回波功率由于脉冲展宽所导致的衰减;研究了脉冲展宽对系统信噪比和测量精度的影响;给出了机载平台所允许的最大飞行高度与系统参数之间的关系。计算表明随扫描角度的增加,脉冲展宽自航带中心逐渐增大,回波功率和信噪比随扫描角度的增加急剧衰减;在航带不同位置,测距精度不同,在航带中心最高,在航带边缘最低。

将微流控结构和光波导多模干涉(MMI)结构功能结合在一起, 利用导波的多模干涉效应, 对微通道中的液体变化进行实时监测。液体中成分或浓度的变化导致液体的折射率变化, 通过监测MMI的输出波导的功率, 得到液体折射率的变化, 从而得到液体成分浓度的变化。计算模拟显示, 对液体的折射率变化灵敏度可达到0.0001。对不同流量的要求, 提出了两种微流控结构和光波导MMI复合结构, 有望在微流控生化分析芯片中得到应用。

从理论上和实验上对飞秒激光脉冲通过散射表面后的时域特性进行了研究分析。用频率分辨光学开关法对通过散射表面前后的飞秒脉冲进行了测量和对比。理论分析和实验结果表明, 由于散射表面对飞秒脉冲的散射导致飞秒脉冲的展宽和形状的畸变。输入脉冲在时间相关函数的半峰全宽为64 fs; 透射脉冲在时间相关函数半峰全宽的平均值为117 fs。对透射脉冲场的统计特性进行了讨论, 透射脉冲场实部和虚部的概率函数分布遵从高斯函数分布; 强度的概率分布遵从指数分布规律; 给出了入射飞秒脉冲强度的自相关函数分布和飞秒时域散斑场强度的互相关函数分布的实验结果, 并且对二者的时间相关函数进行了讨论。

为了获得更高的时间分辨率，更短的飞秒脉冲，采用双棱镜和一个平面镜结构对飞秒激光脉冲进行腔外压缩，构建了一台二次谐波频率分辨光学开关装置，对谐振腔输出的飞秒脉冲及压缩后的脉冲进行了测量，取得了脉冲压缩前和压缩后的实验数据，压缩前脉冲的宽度为89fs，脉冲的时间带宽积为0．9096，误差为2．4‰，输入脉冲的平均功率约为480mW；脉冲压缩后的测量结果为22fs，光谱宽度为43nm，时间带宽积为0．44203，误差为1．1‰，压缩脉冲的平均功率约为250mW。压缩比为4∶1，高于有关文献的报道。结果表明，该装置实现了飞秒脉冲腔外压缩，对获得更短的飞秒脉冲是有帮助的。