硫系玻璃微结构光纤设计、制备及其光学性能研究

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硫系玻璃材料在红外波段与其他材料有着无可比拟的优势,具备极高的宽谱红外透过性能,较低的本征损耗,化学稳定性、力学性能较好和高的线性、非线性等光学性能。在红外光纤的发展历程中,硫系光纤以其特有的红外光学应用优势和不可替代的成纤特性,具备广泛应用于医学、工业、科研、军事航天等众多科学技术领域的潜力。在成熟的硫系玻璃制备工艺基础上,制备的悬吊芯结构的硫系光纤较之石英玻璃光纤或普通结构硫系玻璃光纤具备非线性更高、色散可控等特性,因此在红外波段的光谱展宽及化学生物传感等方面均具有非常重要的应用价值。  本文在调研已报道文献对悬吊芯光纤研究方向的基础上,提出改进的机械挤压法制备硫系微结构悬吊芯光纤预制棒。选择性能最为优越的As2S3硫系玻璃材料,并对其进行制备工艺参数的优化,制备了光学性能优良的硫系玻璃材料。根据悬吊芯结构的特殊性,在设计出适合挤压悬吊芯微结构的光纤预制棒挤压模具之后,经过挤压和拉丝过程,得到了预期微结构的硫系悬吊芯光纤,并详细分析了光纤的性能及新型挤压法的优势所在。  第一章详细介绍了硫系玻璃光学材料的优越特性及发展趋势。从硫系玻璃的相关性能研究出发,逐步深化至普通结构硫系光纤、硫系微结构悬吊芯光纤等,总结介绍了各类光纤的研究方法及目的,最后分析了悬吊芯光纤的研究目的、研究方向和潜在应用价值。  第二章从麦克斯韦方程组出发,介绍了光信号作为一种电磁信号在光纤中的传输机理,并讨论非线性薛定谔方程的基本求解方法及分步傅里叶算法来实现MIR-SC谱的产生的分析方法和求解步骤。着重分析了在光脉冲传输的过程中,光纤色散及多种非线性效应对光脉冲频谱展宽机制的影响。最后总结对比了激光脉冲中几种重要的参数对SC光谱的平坦性及展宽宽度的影响结果,为接下来相关实验研究提供了实际依据。  第三章着重研究了硫系玻璃材料的制备,从原材料精确称量配料、抽真空、硫系玻璃熔制及退火等做了详细说明,旨在熔制高纯度、红外透过光谱宽的As2S3玻璃材料。然后对制备的玻璃进行切片,双面抛光,测试了其覆盖可见-近中远全红外波段的光学透过及喇曼光谱,并分析了其内部结构和特性以及应用于挤压法制备硫系微结构光纤预制棒的可行性。  第四章研究了硫系悬吊芯光纤光学特性。从光纤预制棒的制备工艺探索出发,提出一种通过挤压高纯块状硫系玻璃制备理想结构的四孔硫系玻璃悬吊芯光纤的方法。该新型制备方法保证了玻璃性质稳定和光纤微结构可调的特性。详细介绍了预制棒、光纤的制备过程及其影响因素。最后测试研究了多种光纤光学性能。  第五章是在第三、四章研究的基础上,进一步优化了硫系玻璃、预制棒及光纤的制备工艺,获得光学性能更加优越的硫系微结构光纤。并测试分析了其红外波段的光学特性,例如玻璃材料透过性能、光纤损耗及非线性特性等。并通过中红外光参量放大器(OPA)泵浦光纤,获得平坦的宽红外超连续谱输出。  最后总结全文,指出了文中的不足和修改意见,并对进一步的硫系悬吊芯光纤的研究内容进行总结。
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