本文从局域耦合模理论出发，对基于CO₂激光器刻写的强调制少模长周期光纤光栅建立模型，实现了少模光栅调制区域纤芯传导模式间的耦合过程分析。该模型通过引入非对称与角向折射率调制，表征了光栅调制中较强且呈角向的折射率变化，从而获得了更准确的模式耦合系数及传播常数；将模式耦合系数及传播常数代入基模与三阶角向模式之间的耦合方程进行求解，实现了对光栅传输谱的仿真，且仿真结果与实验结果相匹配。最后，通过改变光栅模型的参数（光栅周期、周期数、调制深度），研究了传输谱的变化规律，为设计与制作更高阶模式的强调制少模长周期光纤光栅提供了参考。相比于其他模型，该模型能更准确地分析基于局部高强度激光照射、热处理的强调制长周期光纤光栅的传输谱特性。

In this paper, a Bragg reflector is proposed by placing periodic metallic gratings in the center of a metal-insulator-metal (MIM) waveguide. According to the effective refractive index modulation caused by different waveguide widths in a period, a reflection channel with a large bandwidth is firstly achieved. Besides, the Mach-Zehnder interference (MZI) effect arises by shifting the gratings away from the waveguide center. Owing to different optical paths with unequal indices on both sides of the grating, a narrow MZI band gap will be obtained. It is interesting to find out that the Bragg reflector and Mach-Zehnder interferometer are immune to each other, and their wavelengths can be manipulated by the period and the grating length, respectively. Additionally, we can obtain three MZI channels and one Bragg reflection channel by integrating three different gratings into a large period. The performances are investigated by finite-difference time-domain (FDTD) simulations. In the index range of 1.33 – 1.36, the maximum sensitivity for the structure is as high as 1 500 nm/RIU, and it is believed that this proposed structure can find widely applications in the chip-scale optical communication and sensing areas.

为了实现对光纤光栅回波光谱分布的控制, 利用传输矩阵法构建了分段调制折射率的数学模型。 通过在各个分段中以不同形式的折射率调制组合实现对回波光谱分布的控制, 研究了基于不同折射率分布条件下的谱形特性, 为实现获取任意形态的Bragg光谱分布提供了理论支撑。 系统结合耦合模理论与矩阵传输算法, 当分段后子光纤光栅尺寸符合边界条件时, 即仍可应用耦合模理论计算, 同时又可以将多段的耦合方程以正、 反向模式的形式通过矩阵函数进行表达。 由此可知, 虽然任意折射率调制组合构成的整个光纤光栅不具备通解形式, 但分段后的子光纤光栅具有可解析的特性, 同时再利用矩阵传输算法可以将m段子光纤光栅的正反向模式进行计算, 就能将任意形式光纤光栅的折射率调制函数转化为传输矩阵组, 再对其反射率分布场进行解析。 最终, 可以得到整个光纤光栅的等效正、 反模式, 即实现回波光谱分布的控制。 由理论部分可知, 回波光谱分布特性主要受正反向导模耦合系数、 纤芯位置、 分段数决定, 可由(z)和k(z)表示。 通过MATLAB仿真分析可知, 两参数在(0, 1)范围内对反射率函数具有明显的调制作用。 随着控制参数阶数的增大, 反射率调制斜率也会增大; 当k(0.38, 0.48), (0.52, 0.58)时, 反射率调制符合单调特性。 从而得到了不同控制参数条件下反射率函数的分布变化, 讨论了耦合系数对回波谱形控制的量化效果。 实验利用AVESTA公司的Ti: Sapphire飞秒激光器完成了四种不同结构光纤光栅的制作, 采用了四种折射率分段调制的FBG结构, 分别是: ①在m段中Λ1和Λ2交替均匀分布; ②在m/2段中Λ1和Λ2交替均匀分布, 其余段随机分布; ③在m/2段中Λ1和Λ2随机分布, 其余段也随机分布; ④在整个光纤光栅段折射率随机分布。 对以上四种FBG的回波光谱分布进行测试与比较, 可知采用分段折射率调制对Bragg光谱特性的作用效果。 实验结果显示: 当以矩阵组形式的FBG若在m段分布时, 则与传统串联型均匀FBG测试效果一致, 具有两个明显的Bragg特征峰; 而矩阵组在m/2段中分布时, 测试光谱仍能明显获取折射率调制特征信息, 即存在两个Bragg特征峰, 但峰峰值减小, 噪声谱增大, 半宽变窄。 同时, 相比交替模式而言, 随机分布形式此种变化趋势更为明显。 由此可见, 通过控制矩阵组分布对回波谱形中特征峰值、 半宽及功率谱进行调制。 该方法在预先设计折射率调制矩阵的条件下, 可以对Bragg光谱分布进行精确控制, 实现目标回波谱形的获取。

对折射率线性调制晶体中超短脉冲倍频特性进行了数值计算, 在泵浦衰减的情况下, 研究了转换效率和脉冲宽度随匹配带宽和晶体长度的变化.大信号时各频率成份在晶体不同位置的不平衡转换致使脉冲展宽, 且由于折射率的调制, 脉冲宽度和转换效率出现了周期性变化.同时, 分析了谐波脉冲啁啾随晶体长度和带宽的变化, 发现随着晶体长度的增大, 归一化最佳啁啾系数先增大后减小, 在长晶体时趋于1, 其极大值位置决定于本征带宽和调制带宽.讨论了相位失配量对转换效率和脉宽的影响, 结果表明失配因子y决定了中心频率的匹配位置, 当y=0时, 中心频率在晶体中心匹配, 这有利于提高转换效率并减小脉冲宽度.

为研究环境温度对光纤光栅使用寿命的影响,从光纤光栅的成栅机理出发,分析了光纤光栅折射率调制度的形成及热致衰减的物理机理;并以热致衰减机理为基础、以峰值反射率为主要指标,建立了温度对光纤光栅使用寿命的影响模型,得到了光纤光栅峰值反射率随温度及时间的变化关系.物理实验与数值仿真验证了理论模型的合理性,即：在仅考虑温度影响因素的情况下,光纤光栅在常规应用温度条件下可长期正常工作.

为验证折射率调制的脉冲射线束探测技术，建立了原理验证系统。该系统基于平行平板干涉原理，测量传感介质的折射率在射线激发下的瞬时变化。传感介质为GaAs，探针光为1310 nm单模激光，外界激发射线源平均能量为300 keV，脉宽为20 ns。使用带宽775 kHz的近红外InGaAs光电探测器，观测到了GaAs晶体在脉冲射线激发下的折射率变化。初步理论分析表明，射线脉冲在GaAs中产生的非平衡载流子浓度为1014 cm-3量级，折射率变化为10-6量级。折射率变化的实验结果与理论计算在量级上是符合的。实验结果表明，基于折射率调制的脉冲射线束探测技术基本可行，利用该系统可进一步发展高时间分辨的脉冲射线束探测技术。

为了提高迈克尔逊干涉系统的抗干扰能力, 取代传统的动镜扫描结构, 设计了基于电光调制晶体折射率实现光程扫描的干涉系统。 通过加载在可变折射率晶体上的调制电信号, 使晶体折射率产生周期性变化, 从而在原有系统光路中调制折射率改变光程差。 通过理论计算获得了电光调制过程中系统可以产生的最大光程差, 并仿真分析了晶体厚度及晶体衍射效率对调制过程的影响。 经仿真分析可知, 随着调制电压范围的增大, 可获得的光程变化范围也增大, 从而系统光谱分辨能力也相应增大。 同时, 在调制过程中设置调制范围使衍射损失的能量小于总能量的10%, 从而保证较好信噪比。 实验结果显示, 随着调制电压的变化, 干涉条纹产生周期性移动, 但超过一定范围时会产生非线性误差。 通过修正算法后系统光谱分辨率可达7.2 cm-1。 在无抗震实验平台的条件下, 传统干涉系统的相对误差超过20%, 而本系统的相对误差低于3%, 证明了系统采用静态电光调制后抗干扰能力显著增强。

以Kogelnik 耦合波理论为基础，从理论上分析了反射体全息光栅衍射效率的影响因素，提出了采用多光栅重叠衍射拓展体全息光栅角带宽的方法。针对衍射均匀性的要求，分析了多重光栅重叠衍射的物理过程，给出了相邻光栅拼接时的布拉格角偏移量，得到了多重光栅衍射角带宽随光栅重数和折射率调制度的变化关系。理论计算结果表明，多重光栅衍射角带宽与多重光栅数量和光栅折射率调制度均呈现出线性增加的关系。在合适的折射率调制度下，通过增加光栅数量可显著增加衍射角带宽。

提出了一种新的基于采样光纤布拉格光栅(FBG)的双峰(DW)滤波器实现方法。通过改变采样之间的直流折射率，在FBG中引入相移；利用占空比为1的余弦函数采样，抑制除±1级以外的所有波长通道。该设计制作方法具有波长设计灵活、制作精度要求低与成本低的优点。对均匀直流相移光栅、采样直流相移光栅与传统离散相移光栅进行了比较与实验制作，结果与理论相吻合。实现了波长间隔为0.08 nm的DW滤波器，证明了该方法的可行性。