光纤研究具有悠久的历史。但是直到高锟先生在二十世纪六十年代提出实现低损耗光纤的方案，并由美国康宁公司开创性地利用气相沉积法制备预制棒得到超低损耗石英光纤后，光纤才开始得到大规模应用。近年来，随着FTTH、FTTD等技术的发展，光纤已遍布全球，进入寻常百姓家。光纤的发明可以说从根本上改变了人类的生活方式。

针对化学气相沉积法制备的光纤组分变化范围受限的问题,介绍了近年来发展迅速的光纤拉丝法(MIT),并从预制棒芯原料为玻璃、半导体、晶体角度总结归纳近年来MIT法制备特种光纤的重要进展,分析了所制备特种光纤的性能和应用特点。最后对这种拉制光纤的方法存在的问题和未来发展趋势进行了展望。

近年来,掺镱大模场光子晶体光纤由于在高峰值功率皮秒超快激光放大器方面的重要应用而受到广泛关注。简要分析了掺镱大模场光子晶体光纤的研制难点,介绍了国内外掺镱大模场光子晶体光纤的研究进展,以及应用于掺镱大模场光子晶体光纤制备的掺镱石英玻璃芯棒制备方法及其光学、光谱性能,重点介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所基于溶胶-凝胶工艺制备大直径、低数值孔径掺镱石英玻璃芯棒玻璃,以及大模场掺镱光子晶体光纤的制备及其用于皮秒脉冲激光放大的研究进展。最后对掺镱大模场光子晶体光纤的研发及应用进行了总结及展望。

微结构光纤(MOF)在结构和性能上的优越性引起了国内外光纤研究人员的广泛兴趣,成为光电子学领域的前沿热点,并得到了快速发展。MOF根据结构可分为实芯MOF和空芯MOF,根据传输机理可分为全内反射型MOF、光子带隙型MOF和反谐振MOF等多种类型,在激光技术、光传感技术、光通信技术、光电子集成和光纤器件等领域具有重要应用。本文综述了MOF的发展历程,并对MOF的种类、传输机理、结构设计和拉制进行了全面分析和归纳,为未来MOF的研究及应用提供借鉴。

中红外波段光纤激光光源在基础科学研究、光通信、生物医疗、环境监测以及**安全领域有着重要应用。超连续谱(SC)激光光源和稀土离子掺杂光纤激光器是目前研究得较多的两类中红外波段激光光源。面向该类光源的应用需求,笔者研究组经过大量实验探索,筛选出一种具有较高稳定性和较高损伤阈值的氟碲酸盐玻璃光纤,并利用其作为非线性介质研制出了光谱范围覆盖0.6~5.4 μm宽带的SC激光光源和平均功率约为20 W、光谱范围覆盖1~4 μm的SC激光光源;制备出具有较强抗潮解能力的Ho ³⁺离子掺杂AlF₃基玻璃光纤,并利用其作为增益介质,获得了波长约为2868 nm的激光输出;研制出具有较低声子能量的Ho ³⁺离子掺杂InF₃基玻璃光纤,并利用其作为增益介质,获得了波长约为2875 nm的激光输出。总结了氟碲酸盐玻璃光纤、AlF₃基玻璃光纤和InF₃基玻璃光纤的特点及相应激光器的研究进展。

介绍了3 μm光纤激光器常用的光纤基质和稀土增益离子,分析了3 μm稀土掺杂光纤激光器的工作原理,并且从不同研究视角回顾了3 μm稀土掺杂光纤激光器的研究进展。其中,锁模中红外光纤激光器、小型化全光纤中红外激光器和3~4 μm更长波长的中红外光纤激光器是目前研究的主要趋势和热点。随着3 μm中红外光纤激光相关技术的迅速发展,结构更紧凑、性能更优异的3 μm光纤激光器不断涌现,必将大大推动其商业化和实用化的进程,更好地满足不同领域的应用需求。

硫系玻璃具有红外透过范围宽、非线性系数高、易光纤化等特点,在中红外光子集成、光纤光源、传感等光学领域极具应用前景。随着红外光学的发展,硫系玻璃及其光纤研究取得了许多进展。为此,综述低损耗硫系玻璃光纤制备及其在光纤器件(耦合器、合束器、传像束和光纤光栅)和光纤光源、光纤传感等方面的研究进展,分析存在的问题,并展望未来发展方向。

高功率铒镱共掺光纤激光器因具有“人眼安全”和在光纤及大气中的低损耗特性,广泛用于光纤通信、激光雷达、卫星遥感和精密测量中。简要介绍了铒镱共掺光纤及其激光系统的发展历程,着重阐述了其在高功率窄线宽方面的最新研究进展,分析了制约铒镱共掺光纤激光器功率攀升的因素。针对镱波段放大的自发辐射和光纤热效应,分别从光纤材料与结构和激光系统结构两个方面进行优化,以实现更高输出功率的铒镱共掺光纤激光器。

2~3 μm光纤激光在**、传感、通信、生物医疗和环境监测等领域具有非常广阔的应用前景。利用稀土掺杂氟磷酸盐玻璃制备光纤是直接获得2~3 μm光纤激光的有效途径。本研究综述了国内外面向2~3 μm光纤激光应用的稀土掺杂氟磷酸盐玻璃光纤的研究概况,指出了研究中存在的问题,并对其发展前景进行了展望。

光纤激光器在工业、医疗和**等领域应用广泛,而增益光纤的研究对光纤激光器的发展起着重要的推动作用。微晶玻璃光纤将强晶体场环境引入光纤中,在高效率、可调谐光纤激光器领域具有独特而重要的应用前景。此外,微晶玻璃光纤中可控制地析出非线性晶体,实现激光频率转换,进一步拓宽光纤的应用领域。介绍了微晶玻璃光纤的概念与光学特性;重点讲述稀土离子掺杂、过渡金属离子掺杂、量子点掺杂及倍频微晶玻璃光纤的研究进展;对微晶玻璃光纤的制备技术进行深入分析与讨论;最后对微晶玻璃光纤的未来发展前景进行展望。

金属纳米晶复合光纤结合了金属纳米晶独特的局域表面等离子体共振(LSPR)和光纤器件尺寸小、结构简单、性能稳定、抗干扰能力强等优点。其中,金属纳米晶LSPR引起的高非线性效应、金属增强发光、表面增强拉曼散射等效应能够赋予光纤新功能、高性能,而光纤表面倏逝波传输的特性可以极大地提升金属纳米晶的LSPR激发效率。因此,金属纳米晶复合光纤在非线性光学调制、光纤激光器、物理和生化传感与检测方面都有重要的应用,受到了研究者的广泛关注。从金属纳米晶LSPR机理、制造方法、应用等方面对金属纳米晶复合光纤进行介绍,并就其未来发展作展望。

单晶光纤(SCF)是体块晶体与常规光纤的结合体,拥有优异的物理和化学性能以及良好的热管理能力,已经逐渐成为固体激光领域的研究热点。详细介绍两种主要的单晶光纤生长方法:激光加热基座(LHPG)法和微下拉(μ-PD)法,以单晶光纤制备及单晶光纤激光器研究为主线,对国内外的研究现状进行综述。最后,结合目前研究基础,分析单晶光纤的研究前景及发展趋势。

作为空分复用的多芯光纤成为进一步增大光纤通信容量的最后一块处女地,近几年来格外引人注目,已经有了大量的关于解决扩容增速的报道。本研究围绕多芯光纤的基本性能,特别是在非光纤通信及其传感应用方面,给出了较为全面的综述。讨论了多芯光纤有关的问题,包括芯间耦合与串扰问题、多芯光纤的传输特性与弯曲特性、多芯光纤的分束与连接技术,以及多芯光纤的锥体耦合技术等多芯光纤在光通信技术领域涉猎的核心问题,同时也讨论了新型中空椭圆形多芯保偏光纤,并给出多芯光纤在大功率光纤激光器、光纤干涉方面的若干应用实例,重点介绍了多芯光纤在传感领域的若干应用。

石墨烯材料的发展将光电子学、微纳米技术和材料物理学紧密联系在一起。作为一种柔性薄膜,石墨烯材料在光纤光波导平台上的组装更加方便。近年来,基于石墨烯的光纤功能器件以其丰富的功能推动着光电子学科的发展。重点关注当前广泛应用的传感、激光和非线性器件,介绍了石墨烯及其相关材料的制备工艺和与光纤结合的方法。通过对国内外相关研究成果的综述,充分展现了石墨烯光纤器件的性能和应用优势。

微纳光纤(MNF)是直径接近或小于光波长的一种新型光纤。近年来,微纳光纤因在光流控传感器方面的重要应用受到了广泛关注。首先简要介绍了微纳光纤的制备方法和导波特性,然后重点介绍了强度调制型和相位调制型光流控微纳光纤传感器在高灵敏、快响应、小尺寸生化传感中的研究进展,最后对光流控微纳光纤传感器的研究及应用进行了总结及展望。

光纤作为光信息和光能量的传输元器件已成为基础建设不可或缺的组成部分。针对功能光纤进行概括性介绍。着重介绍了微结构光纤的导光机理以及制备方案。微结构光纤由于其实现了灵活的预制棒制备方式、空芯传输以及理论上的超低衰耗,广泛地应用于光电传感和激光器应用。未来光纤发展的趋势将是光、电功能集成于一根光纤中,详细介绍了纳米机械光纤的制备和潜在应用,为全光器件和光集成技术发展提供重要的研究方向。

基于各种光学玻璃材料的微球激光器是一种回音壁模式的微纳激光器件。近年来,因其具有激光阈值低、线宽窄以及利于集成化等特点而得到广泛关注。石英玻璃以及各种类型的多组分玻璃微球激光器相继被报道。本文简要介绍玻璃微球腔的制备方法以及石英玻璃和各种多组分玻璃微球激光器的最新研究进展。

基于宽带接收的快速布里渊光时域反射技术,通过结合分布式拉曼放大来实现长距离分布式布里渊传感。研究了拉曼放大前后系统的性能差别以及非线性现象,并探究拉曼抽运功率与脉冲功率的最佳组合方式。最终通过实验实现了空间分辨率为50 m、传感距离为100 km左右的快速温度传感,其中,在50 km处获得1.2 ℃的温度测量精度。系统传感距离较无拉曼放大时提高了约50 km,并且能够在10 s左右快速完成一次测量。

为了制备无砷红外硫系光纤,采用熔融-淬冷法和蒸馏提纯工艺熔制了高纯度的Ge₂₀Se₇₉Te₁和Ge₂₀Se₈₀两种玻璃,基于优化的掏心挤压法制备出具有理想芯包结构的Ge-Se光纤预制棒。拉丝后的Ge-Se光纤在7.5~8.7 μm波段的平均损耗为4.8 dB/m,其中在7.7 μm处达到3.2 dB/m的最低损耗。利用中红外光参量放大器作为抽运源,抽运17 cm长的Ge-Se光纤探究谱宽和抽运波长、抽运功率的关系,获得了光谱宽度为1.5~11.2 μm的平坦超连续谱。

研究一种基于激光微孔加工的温度补偿型光纤微流传感器。采用飞秒激光诱导水击穿的方法,在光纤布拉格光栅(FBG)和光纤镀金端面之间,刻写一条垂直于纤芯的均匀微流通道,制作单端反射式传感器,并对光谱进行快速傅里叶分析,可同时获得FBG和法布里-珀罗(F-P)谐振腔的波长信息。实验结果表明:FBG和F-P谐振腔对外界环境温度及微流折射率具有不同的响应特性。通过检测FBG光谱频移可得到温度信息,再从F-P谐振腔光谱中扣除温度的影响部分,即可得到温度补偿的折射率信息。实验得到传感器在中心波长为1550 nm处的折射率灵敏度约为1.2038 nm·RIU ^-1(RIU为单位折射率),该数值可通过光纤结构进行优化,设计的传感器具有结构简单、操作方便及可实时检测等优点,在生物化学、医学等传感领域中拥有良好的应用前景。

介绍了一种特殊设计的少模光纤及由少模光纤构成的单模光纤-少模光纤-单模光纤(SFS)传感结构。在对轴激发条件下,少模光纤芯子中仅有基模LP₀₁和第一圆对称高阶模LP₀₂传输,且SFS结构的传输光谱在工作波长范围内有一个特征波长。在特征波长附近相邻两个干涉峰间的波长间距达到最大,且在特征波长处干涉仪的输出光强不随波长变化,这使得特征波长在光谱中唯一且容易识别。理论和实验研究了SFS结构传输光谱的特征波长及其两边干涉条纹随轴向应变、温度、弯曲、液体折射率的传感特性,并将SFS结构用于轴向应变、温度、弯曲、位移、外界折射率和相对湿度的大范围、高灵敏度、多参量同时检测,为解决常规干涉仪存在的测量范围小、输出多值性等问题提供解决方案。

将向列相液晶(E7)与光纤U型腔相结合,通过外加电场对液晶分子进行取向,分别获得了寻常光和非寻常光的干涉光谱,并获得了其不同的温度系数特性。实验发现:在液晶清亮点以下时,随着温度的升高,非寻常光的干涉光谱向短波长方向移动,而寻常光干涉光谱则一般向长波长方向移动;当接近清亮点时,光谱的移动速度加快;在液晶清亮点以上时,偏振相关干涉消失,干涉光谱随温度升高而发生蓝移。进一步推导了液晶的温度系数,理论分析与实验结果一致。该系统具有结构紧凑、集成度高和稳定性好等优点,在液晶的温度效应表征、偏振光学以及光传感等领域中具有良好的应用前景。

为提高光纤光栅监测微小位移的灵敏度和精度,提出并实现一种基片式环形光纤光栅位移传感器,利用谐振腔中不同模式拍频信号的变化实现传感。Sagnac环形腔有效提升了抽运光源的利用率,同时拥有比直腔更小的相位噪声和更高的信噪比。该传感器采用应变片式结构,能够有效地对光纤进行保护,更加精确地测量由位移引起的频率变化。实验中每5 mm观察一次传感信号的漂移情况,重复实验的多组实验结果表明,该传感器频移与位移基本呈线性变化,线性拟合度高达0.9995,灵敏度为-45.4 kHz/mm,根据频谱仪的最高精度,可得传感器的测量精度为0.88×10 ^-3 mm,与理论推导基本一致。

提出一种基于大空气孔保偏微结构光纤偏振回旋滤波器(PM-MOF-RF)的光微流折射率传感器。保偏微结构光纤(PM-MOF)沿轴向引入周期性往复扭转结构,可实现光纤中正交偏振模的谐振耦合,通过偏振检测,可得到类似于长周期光栅的透射光谱,从而获得偏振回旋滤波器(PRF)。基于耦合模理论,对该器件的透射光谱进行仿真。在该器件两端与单模光纤(SMF)连接处分别接入一小段C形光纤,可将待测液体导入和导出MOF的空气孔而不影响SMF与MOF的光信号耦合,从而得到一个全光纤的光微流折射率传感器。通过有限元分析方法模拟微流折射率在1.333附近变化时PM-MOF的相模式双折射色散曲线,进而可得不同微流折射率的透射光谱,通过追踪光谱波长漂移,得到7196.4 nm/RIU(RIU为折射率单元)的折射率灵敏度,同时可知当按比例缩小光纤尺寸时,可将其灵敏度提升至16754.0 nm/RIU。

设计并搭建了一种基于相干检测和瑞利散射的光源频率稳定性测量系统,以实现对光源微秒量级瞬时微小频偏的测量。基于该测量系统对布里渊分布式传感系统中光源频率波动所导致的性能劣化进行了研究。研究表明频率波动较大的激光源会造成测量得到的布里渊增益谱展宽,并逐渐偏离洛伦兹谱型,导致布里渊频率测量的误差较大,最终将传感距离限制在15 km之内。而频率波动较小的激光源可以使系统的传感距离达到50 km。

提出并通过实验研究了一种高精细度微机电系统(MEMS)光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器。该传感器基于MEMS技术,将硅片与Pyrex#7740玻璃片阳极键合并镀上高反介质膜构成一个高精细度的F-P腔。当外界压力发生变化时,F-P腔长会发生变化;采用高灵敏度光纤白光干涉测量技术,通过测量F-P腔长就可获得被测压力。实验结果表明,该传感器压力测量分辨率高,线性度高,并具有低温漂特性。

利用微纳光纤的倏逝场效应,提出一种布里渊折射率传感器。利用混合声波模式激发的多峰布里渊频谱结构,实现了液体的折射率传感测量。实验结果发现,在氯化钠溶液中,长2 μm的微纳光纤在10.4 GHz左右的布里渊信号峰具有较好的信噪比,且该布里渊信号峰频移在一定范围内随液体折射率呈线性变化,在折射率范围为1.3333~1.3612时折射率传感灵敏度为369.6 MHz/RIU(RIU为折射率单元)。该技术为折射率传感提供了新的思路和方案。

研究了一种基于频移干涉原理的新型连续波光纤腔衰荡液体折射率传感方法,采用熔融拉锥方法制作锥形光纤传感探头,并对不同浓度下液体的折射率进行了实验研究。结果表明,溶液质量分数小于9%时,NaCl和葡萄糖溶液的探测灵敏度分别为3.779 dB·RIU ^-1和6.413 dB·RIU ^-1(RIU为折射率单元),系统的最低检测限为10 ^-4。在40 min的连续观察时间内,腔内损耗的标准差小于0.4%,系统表现出良好的稳定性。与传统技术相比,该技术无需高速探测设备,降低了对硬件设备的要求。该系统具有结构简单、成本低、灵敏度高等优点,在化学探测、生物传感领域具有一定的应用前景。

提出并制作了一种基于多模干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪,干涉仪由多模光纤熔接单模光纤构成。光从单模光纤进入多模光纤时,由于纤芯失配会激发出多个高阶模,这些高阶模与纤芯基模在多模光纤中耦合并发生模间干涉。制作的传感器样品的干涉谱条纹清晰,对比度高。液体折射率传感和温度响应特性实验结果表明在1.3333~1.3796 RIU的折射率范围内,干涉仪的液体折射率灵敏度为-92.43 dB/RIU;在25~75 ℃的水温范围内,干涉仪的液体温度灵敏度为0.01 dB/℃。传感器结构简单,易于制作,成本低廉,其探针式结构在生物医学、石油化工等领域有一定的应用前景。

为了减小光纤包层厚度并提升干涉仪的折射率灵敏度,设计一种结构简单、容易制作的光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪。首先,在两根单模光纤之间熔接一段光子晶体光纤(PCF);然后,在自制的腐蚀槽中采用氢氟酸进行化学腐蚀来减小包层厚度,并通过控制变量的方法,研究光子晶体光纤的长度、腐蚀时间,以及环境温度对制得的干涉仪灵敏度的影响。结果表明,随着光纤长度增加,制得的干涉仪的灵敏度提高。将3 cm的PCF在质量分数为40%的氢氟酸溶液中腐蚀40 min后,制得的干涉仪的灵敏度增加了约3倍。环境温度对制得的干涉仪的灵敏度几乎无影响。

使用单模光纤与空芯熔石英光纤制作了一种高灵敏度的光纤法布里-珀罗(F-P)微腔应变传感器,并采用非扫描相关解调技术实现了这种应变传感器的解调。该传感器由两段垂直切割的单模熔石英光纤穿入一段空芯熔石英光纤制成,其腔长为微米量级。将单模熔石英光纤固定于空芯熔石英光纤两端,实现了光纤F-P微腔应变传感器腔长-应变灵敏度的增敏效果。根据其腔长变化范围采用非扫描相关解调技术进行解调,对于初始腔长为30.129 μm,空芯熔石英光纤长度为40 mm的光纤F-P微腔应变传感器,腔长-应变变化灵敏度达到了14.08 nm/με,线性度可达99.7%。

基于布里渊光时域分析(BOTDA)的分布式光纤传感系统被广泛用于测量外界环境的温度、应力等信息。为了进一步提高分布式光纤传感系统的测量精度与速度,提出一种基于自适应梯度下降算法的布里渊频移提取方法,搭建了24.4 km基于BOTDA的分布式温度传感系统,并进行实验验证。结果表明,与传统莱文伯-马奈特洛伦兹拟合法相比,本文方法能够快速、准确地提取出布里渊频移,对提高基于BOTDA的分布式温度传感系统的测量精度具有重要意义。

提出一种基于四波混频效应的双波长光纤激光器传感器增敏方法,以提高基于保偏光纤光栅的双波长激光器传感器的灵敏度。双波长输出的波长间隔对温度、应力等外界待测量有很好的传感响应。利用四波混频效应可扩大此波长间隔。本实验中,使用3阶四波混频效应增敏方案可实现传统保偏光纤光栅激光器传感器温度灵敏度自-0.62 pm/℃至-4.32 pm/℃的提升,增敏近7倍。

将多模光纤两端与单模光纤正对拼接在一起,通过光纤微孔及不同芯径光纤拼接构成一个复杂的马赫-曾德尔干涉仪,利用该干涉仪构成一款新型高温与折射率传感器。实验发现,传感器透射谱中谐振峰波谷dip 1的波长只随环境温度发生线性漂移,波谷dip 1的峰值强度只随环境折射率发生线性漂移。据此利用波谷得到一个关于温度与折射率的测量矩阵,实验测得高温灵敏度达到18.55 pm/℃,折射率灵敏度达到-155.2 dB/RIU(RIU为折射率单元)。利用波谷dip 1的这个特性实现了高温与折射率同时测量,不存在交叉敏感。该传感器结构紧凑简单、性能稳定、灵敏度高。