光纤微透镜的制作及其特性研究

论文摘要

基于光纤的各类光学器件已被广泛应用于光纤通信、生物医学,特别是光纤传感等领域。由于光纤器件不仅具有体积小、成本低、抗电磁干扰等优点,且光纤既可作导光介质,也可直接作为高灵敏传感元件,这使得基于光纤的传感系统比其他非光纤系统更容易实现多功能和紧凑的结构。在光纤器件中,由于光纤直接输出的光束发散角较大,会降低光纤器件之间的耦合效率,且出射光束的质量有时也会限制光纤传感器的性能,如:深孔测量等。为提高光纤之间或光纤与其它光学器件之间的耦合效率,提高基于光纤的传感器件性能,常使用微透镜调节光纤输出光束的尺寸和形状。而大多数装配于光纤的准直聚焦的离散非球面和梯度折射率透镜尺寸较大,典型直径为毫米量级。这类光纤与透镜组合的光纤器件制作过程除了对光学对准稳定性要求高之外,且存在较大的插入损耗。为解决这些问题,近年来,直接制作于光纤端面的光纤微透镜,由于采用与光纤尺寸相匹配的微透镜,且直接制作于光纤端面,既避免了后续透镜与光纤的装配问题,也降低了器件的插入损耗,这类光纤微透镜传感器件在显微光纤医学成像、管道微泄漏检测等光纤传感领域具有重要的应用前景,引起了人们的广泛关注。本论文研究中,我们针对现有光纤微透镜制作方法的不足,采用液体表面张力的球面形成机理,提出并实现了一种在光纤端面制作微透镜的方法,即:液滴固化法。这种光纤微透镜制作过程只需滴取和固化两步即可,制作出的光纤微透镜直径与光纤尺寸相匹配,表面光滑,最小透镜直径仅10μm,且可通过多次滴定-固化步骤,对微透镜形貌进行调整。我们采用光束传输法（Beam Propagation Mehthod,BPM）对光纤端面微透镜的光束传输特性进行了数值模拟分析,优化透镜参数,实现了光纤微透镜出射光束汇聚,最短聚焦长度为20μm,最小光斑直径约为10.89μm。此外,我们还研究了光纤端面表面特性对微透镜成形的影响,对光纤端面微透镜的损耗的因素,以及多次滴定-固化法对微透镜形貌的调整等特性。第一章介绍了微光学的起源和发展,着重介绍了不同类型光纤微透镜的应用;然后介绍了国内外微透镜制作的各种方法,阐述了各自优缺点,对其进行了对比;最终选择方法简单,成本低的液滴固化法。第二章介绍了光纤的分类以及传光原理,紧接着给出单模光纤光纤的发散角的计算方法;理论分析了高斯光束经过薄透镜的分布情况;在制作光纤微透镜时,光纤端面基底润湿性对与微透镜面型的关系,突出疏水改性的重要性。第三章主要介绍了制作光纤微透镜的步骤,制作前对光纤端面进行的处理以及制作当中所必要的光纤锥的制作过程。研究了该透镜制作过程中光衰减的主要因素,最终在单模光纤和多模光纤端面成功制作了表面光滑,近似为半球形的透镜。第四章先介绍了Beamprop光束传播法,使用其对在在单模光纤以及多模光纤上,不同大小的微透镜的出射光场进行了仿真;并设计实验对微透镜光纤进行了实验研究。利用“横向偏移法”测量了这些微透镜不同位置时的光强分布,绘制成光强分布图;将实验结果与仿真结果进行对比,吻合度良好。第五章总结了实验得到的结果,提出一些改进的建议,以及接下来的工作方向。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及其意义
•   1.2 光纤微透镜的原理与应用
•   1.3 光纤微透镜的制作方法
•     1.3.1 加热熔融法
•     1.3.2 化学腐蚀法
•     1.3.3 研磨抛光法
•     1.3.4 激光直写法
•     1.3.5 液滴固化法
•   1.4 本章小结
• 第二章 光纤的基本知识和液滴-固化法制作光纤微透镜的关键技术
•   2.1 光纤的基本知识
•     2.1.1 光纤的结构
•     2.1.2 光纤的分类:
•     2.1.3 光纤的衰减原理
•   2.2 光纤传输的原理
•     2.2.1 经过透镜后高斯光束的理论分析
•   2.3 微透镜面型与浸润性关系
•   2.4 本章小结
• 第三章 光纤微透镜的制作
•   3.1 微透镜的制作材料
•   3.2 微透镜位置确定以及面型改善方法
•   3.3 制作过程
•     3.3.1 腐蚀预处理
•     3.3.2 光纤锥的制作
•     3.3.3 光纤微透镜的制作
•   3.4 光强损耗情况测量
•   3.5 本章小结
• 第四章 微透镜光纤出射光场的分布研究
•   4.1 出射光场仿真结果
•   4.2 出射光束半径实验步骤
•   4.3 实验结果及其分析
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王玉莲

导师: 徐峰

关键词: 微光学元件,光纤微透镜,疏水改性,发散角,光斑直径

来源: 安徽大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 安徽大学

分类号: TN253

总页数: 57

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