报道了一种基于柔性空芯光纤和量子级联激光器（QCL）的中红外吸收光谱技术，可同时检测NO和NO₂气体。QCL在间歇连续波（iCW）模式下运行，结合柔性空芯光纤具有小型化传感器的潜力。分别选择1929.03 cm^-1和1599.91 cm^-1的吸收线用于NO和NO₂检测，两束激光同时耦合到内径为530 μm的100 cm长的柔性空芯光纤中。直接吸收光谱首先用于展示双气体检测，QCL以iCW模式运行并结合时分复用技术，然后采用一次谐波归一化的波长调制光谱来消除非气体吸收带来的信号强度变化的影响，并研究了气体传感器的性能。对于体积分数为50×10^-6的NO与15×10^-6的NO₂，检测精度分别评估为5.2%和4.1%。当积分时间为60 s时NO的检测限为39×10^-9，当积分时间为50 s时NO₂的检测限为9.2×10^-9。

太赫兹（THz）波在通信、成像、安全监测、生物医学等领域有着广阔的应用前景。随着THz技术的飞速发展，对其传输波导，特别是低损耗、单模、柔性传输等高性能THz波导的需求日益增长，这将为提高THz系统的灵活性及推动其实用化发展提供重要支撑。综述了金属膜波导和介质金属膜波导的设计和制备工艺，在0.1~0.3 THz和2.0~5.0 THz频段的损耗和单偏振单模传输等特性，以及在通信和成像等方面的应用。着重介绍了本课题组近年来在波导的设计、特性仿真、制备、测试和应用方面的研究结果。也对THz波导研制中存在的难点和发展前景进行了初步探讨。

在光子辅助的W波段通信系统中,利用概率整形技术,实验验证了概率整形的八进制脉冲幅度调制(PS-PAM8)信号在太赫兹空芯光纤中的有线传输。采用包络检测的方案,在97~105 GHz的W波段上成功实现了5.75 GBaud的PS-PAM8信号在1 m空芯光纤上的传输。实验中的净传输速率可达13.63 Gbit/s, 满足2.4×10 ^-2的20%开销的软判决前向纠错码阈值。该实验结果证明了THz空芯光纤作为一种新型的W波段高速传输介质的潜力。

仿真研究了介质/金属波导在140~220 GHz频段的损耗和色散特性。在该频段,当传输波长接近波导尺寸时,介质层不能降低传输损耗,但介质层导致模场结构发生变化,波导的色散进入负值区间。分析总结了具有不同介质层厚度的介质/金属波导的色散特性变化和零色散位置。提出了利用不同介质层厚度的波导对金属波导进行色散补偿的方法和方案。结果表明,通过色散补偿可以实现在不同频点的零色散特性,也可以实现一定频段范围内的平坦低色散特性。研究结果对该频段波导的结构设计和制作工艺等具有指导意义。

介质/金属膜空芯波导作为光谱吸收式气体传感的柔性吸收池,得到广泛关注。空芯波导具有损耗低、与光传输系统耦合稳定、抗外界干扰能力强和所需样品量微小等优点。利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)和空芯波导搭建了气体传感系统,实验研究了各类波导对碱性气体、酸性气体以及有机溶剂挥发物等的耐久特性。通过对比波导注入腐蚀性气液体前后的损耗特性变化,评估波导的受损情况,讨论了劣化机理。系统总结了多种常用波导的适用传感波段和抗腐蚀特性,为波导式吸收池的工程应用提供了设计和制作参考。

提出一种基于空芯光纤,兼具导电和中远红外传光性能的生物探针,实现波长5~10 μm处光的低损耗传输。采用环烯烃聚合物(COP)对探针前端进行水密封,并对封口工艺进行设计和优化。采用波长5.1 μm的光源测得长度为20 cm、内径/外径(ID/OD)为0.7 mm/1.5 mm探针的损耗为1.38 dB。通过控制封口工艺,制备不同形状的COP封口窗片,实现对输出光束的调控。通过测量不同形状封口窗片的输出光斑,分析探针的焦距及光束远场发散角,为神经科学研究和生物医学应用提供更多的途径和手段。

制作了具有不同介质膜厚度的大口径柔性介质金属膜波导, 测试了金属膜波导和介质金属膜波导在G波段、4.3 THz和中远红外等频段的传输特性.结果表明, 波导的传输损耗在G波段随介质膜厚的增加而增加, 孔径2.6 mm的金属膜波导在160 GHz传输损耗为2.1 dB/m且在G波段波导的传输损耗对弯曲不敏感.在4.3 THZ频点波导的传输损耗随介质膜厚的增加而减小, 镀制介质膜可以大幅减小波导的传输损耗以及弯曲附加损耗, 孔径3.6 mm介质膜厚为1.2 μm的介质金属膜波导的传输损耗为2.84 dB/m.光斑能量则随介质膜厚的增加更加集中于低阶传输模式.

提出了一种新型的基于金属-介质-金属的多层膜结构的空芯光纤折射率传感器,通过建立光学模型计算了该传感器的传输光谱。对介质膜材料分别为二氧化硅、环烯烃聚合物和碘化银时的传感器性能进行了分析。当空芯光纤内部检测液体折射率处于不同范围时,所设计的传感器分别利用导模共振、表面等离子体共振以及波导耦合表面等离子体共振的原理进行传感。相比于传统的空芯光纤传感器,所提的传感器不仅检测范围超大(1.3~1.64,几乎覆盖了全部液体介质的折射率)而且品质因数提高了一倍。

分析比较了不同孔径、不同膜厚的金属膜空芯波导与介质金属膜空芯波导在损耗、色散、耦合效率等方面的传输性质。研究表明, 较大的波导孔径与较小的介质膜厚能够获得较低的传输损耗。同时, 镀制一定厚度的介质膜, 将增大波导的单模传输范围并改善波导的色散特性。研究了高斯光源与波导的耦合效率, 通过选择合适的光源, 使高次模与波导的耦合效率远低于基模。讨论了介质膜对波导与光源之间耦合效率的影响, 以及其在传输波长接近波导尺寸时对波导电场分布的影响。

研究了渐变型空芯波导(GTHW)在太赫兹波段的传输特性。基于几何光学方法, 仿真分析了波导的输出光束质量和传输损耗特性。相比均匀型空芯波导, 当光从渐变型空芯波导的大端传输至小端或沿相反方向传输时, 渐变型波导具有特殊性能。当光从波导大端传输至小端, 渐变型和均匀型波导具有相似的弯曲附加损耗, 并且渐变型波导具有更高的耦合效率, 便于与多种光源耦合；当光从波导小端传输至大端, 渐变型波导的传输损耗和输出光束发散角更小。仿真了波导弯曲率、光源发散角和波导锥度等参数对传输损耗的影响。采用波长532 nm的半导体激光器作为光源, 进行了验证实验。测量数据与仿真结果有很好的一致性。