Characteristics of electric field from a coupled mode inside an optical fiber under perturbation by three-dimensional (3D) printed long-period fiber grating (LPFG) device have been observed in this work by the experiment and simulation. The various periodic index differences referring to the weights of perturbation by 3D printed LPFG device are applied on the single-mode fiber. The experimental results show that the resonant wavelength shift is a linear function of the grating period with the maximum coefficient of determination R² of 0.9995. Some of resonant wavelengths are chosen to run simulations to investigate the electric field distribution. The scattering direction of the electric field states the magnitude of leaking optical power when the light transmits through the grating region applied to the single-mode fiber. Both the experimental and simulation results demonstrate that our proposed scheme can usefully be applied to selective tunable filters, intruder sensors, etc.

基于四层光纤模型, 采用数值模拟方法, 研究了镀膜长周期光纤光栅的膜层折射率及厚度等参数对其传输谱特性的影响。结果表明, 随膜厚增加, 各包层模式有效折射率增大, 谐振波长向短波区漂移。当膜厚达到一定数值后, 有效折射率及谐振波长急剧变化, 长周期光纤光栅频谱出现模式转换现象, 模式跳变转折点对应最优薄膜厚度, 不同薄膜介质对应不同的最优膜厚, 研究对提高长周期光纤光栅传感器的敏感度具有重要的指导意义。

采用二氧化碳激光逐点刻写技术对2 μm波段长周期光纤光栅(LPFG)的传输特性进行了实验研究,探索了光栅周期、折射率调制深度、光栅周期数等光栅刻写参数对光纤光栅在2 μm波段特征损耗峰的影响。仿真和实验结果均表明,2 μm波段LPFG的谐振中心波长和谐振峰深度可分别通过光栅周期以及光栅长度来调谐,激光扫描次数以及折射率调制都将增加光纤内模式的耦合强度。此外还探究了2 μm波段LPFG对于环境温度的敏感特性,通过设计实验测得该波段LPFG的温度灵敏性为74 pm/℃。该研究在2 μm波段光纤激光器及其应用的核心器件方面有潜在的应用价值。

为了更好地测量液体折射率, 提出了一种基于表面等离子共振波长测量液体折射率的方法,采用Kretschman 结构建立了模型, 进行了软件仿真, 并搭建实验平台进行了实验研究, 分析了实验和理论之间的误差来源。结果表明,当折射率在1.33RIU~1.36RIU的范围内变化时, 表面等离子共振吸收峰随液体样品折射率的变化产生了频移, 其灵敏度可达4808.94nm/RIU。该方法可以准确测量液体的折射率, 且系统结构简单, 具有较高的灵敏度。

基于单模微纳光纤基模有效折射率色散方程和光纤布拉格光栅谐振方程，研究单层结构光纤布拉格光栅光谱特性，并用FH酸化学腐蚀法制得单层结构布拉格光栅.理论和实验结果表明：随着光栅半径减小，单层结构光纤布拉格光栅谐振波长蓝移，且谐振波长个数由5个减少到1个，直至最后完全消失；随着光栅外环境折射率的减小，截止半径缩短，当折射率降到1时，截止半径减为0.55 μm.

基于表面等离激元共振(SPR)的原理, 设计了一种具有矩形凹槽周期阵列微结构的金属增强基底。利用有限元方法对基底表面附近电场的分布进行了理论模拟分析, 结果表明在SPR共振情况下, 其凹槽微结构坑口处可得到强局域场, 局域电场强度Eｍａｘ／Ｅ０可达20。通过改变结构的周期、凹槽长度l、宽度w以及环境介质, SPR共振峰发生规律性的移动, 波长覆盖范围为500～1 000 nm。入射光沿x方向偏振的情况下, 随着结构x方向周期Px的增加, SPR共振峰明显红移。当入射光波长与Px相当时, 观察到凹槽内局域电场突然减小的现象。这是由于满足了波矢匹配条件, 传播型SPP被激发导致的。改变凹槽长度l, 发现共振波长随l的增加红移, 近似呈线性关系。环境介质折射率的增加也会引起共振峰的红移。而凹槽宽度w的增加将导致其蓝移。这种规律性的移动为实现共振波长的调控提供了途径。受Jain研究报道的启发, 矩形凹槽结构可以等效为两对偶极耦合模型的组合, 从而解释SPR共振峰随结构参数变化而发生的移动。

采用三维时域有限差分法, 数值研究了等高、等体积下不同形状金属纳米颗粒的局域表面等离子体的共振性质及其规律, 得到了面形状因子对共振波长的影响关系。研究表明, 沿偏振方向的形状变化对共振波长偏移有重要贡献, 在空气中, 确定金属纳米结构局域表面等离子体共振波长的形状参数L可采用偏振方向上的纵横比和面形状因子描述, L可以拟合为纵横比和面形状因子乘积的线性函数。得到了等高、等体积下不同形状金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振的电场能量和共振波长的关系, 面形状因子越小, 形状越尖锐, 电场能量越高, 共振波长红移。研究结果为进一步了解金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振性质提供有益的参考。

利用有限差分法和耦合模理论分析了光子晶体光纤结构参数等因素对光栅周期调节长周期光栅谐振波长作用的影响，结果表明：对于同种光纤，可通过增大或减小光栅周期来减小或增大谐振波长；若占空比f增大或减小，可通过减小或增大光栅周期来保持谐振波长不变；若比例系数M增大或减小，可以成正比增大或减小光栅周期来保持谐振波长不变；在只是空气孔层数增加的系列光纤中，在长波处，为取得同一谐振波长，光栅周期需要增大数个μm，但在短波处则正好相反；内层气孔对光栅周期调节谐振波长的作用影响较大，而第5层以外各层的影响十分微弱。综合利用这些规律，可以快捷地选择合适的光栅周期，高效率地制备有合适谐振波长的光子晶体光纤长周期光栅。

基于严格的相位匹配公式, 在充分考虑材料色散的基础上, 详细研究了镀膜长周期光纤光栅的双峰谐振效应。研究发现, 随着环境折射率的变化, 发生谐振的双峰也发生变化, 且变化趋势相反。给出了镀膜长周期光纤光栅双峰谐振波长之间的距离随环境折射率变化的关系, 并与普通长周期光纤光栅的同等情形进行了比较, 发现镀膜长周期光纤光栅的双峰谐振能够极大提高长周期光纤光栅的折射率灵敏度。但由于发生双峰谐振需要的包层模式次数较高, 故其探测范围比应用低次耦合的单峰探测范围要窄。