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关键词： DFB激光器光栅   飞秒激光直写   飞秒激光改性   湿法刻蚀  

摘要： 分布式反馈半导体激光器因具有高稳定性、窄线宽、波长可调谐等优势,广泛地应用于光谱学、泵浦光源、集成光学和激光雷达等众多领域。其内置的布拉格光栅结构作为DFB半导体激光器的核心元件,有关的制备方法一直是研究的重点。传统的高精度光栅加工制备技术如电子束光刻、全息曝光光刻和纳米压印等工艺虽然可以制备高精度的复杂表面微纳结构,但同时存在着掩模版限制、设备昂贵、工艺复杂和效率低下等问题。使用飞秒激光直写制备光栅时因其独特的加工机制可以在确保加工精度的条件下避免上述问题,并兼具加工灵活、成本低廉和可实现任意复杂结构光栅制备的优势,这为InP基DFB半导体激光器光栅的制备带来了新的可能性。本文的主要研究内容如下: (1)对DFB半导体激光器光栅的应用和基本理论进行介绍,对不同的DFB光栅制备工艺的特点进行说明,对半导体激光器的内部光传输进行总结。采用时域有限差分法对InP基DFB半导体激光器光栅结构进行仿真,总结出光栅高度和占空比对反射率的影响。为后续开展飞秒激光直写加工光栅的结构参数提供理论支持。 (2)开展飞秒激光直写加工InP材料的研究实验,通过深入研究飞秒激光单脉冲能量、脉冲数量和扫描速度对加工效果的影响,进而确定了InP材料的烧蚀阈值参数。并且给出孵化效应解释InP材料烧蚀阈值随脉冲数量增加而下降这一现象。通过调整上述加工参数实现对InP材料的有效加工。 (3)通过使用近红外飞秒激光直写辅助湿法刻蚀制备高表面质量InP基DFB半导体激光器光栅。分别采用氢氟酸溶液和盐酸酒石酸的混合溶液对激光加工区域进行湿法刻蚀,实现对飞秒激光改性区域的材料去除,并且有效地改善了飞秒激光直写区域的表面粗糙度。并通过调整蚀刻时间,实现了在InP材料中亚微米尺度的DFB半导体激光器光栅的制备。

关键词： 长周期光纤光栅   层层静电自组装   聚电解质薄膜   传感器  

摘要： 长周期光纤光栅(LPFG)是周期范围在几十到几百微米,能将光前向传输的纤芯基模与同向传输的包层模耦合的一类无源光学器件。LPFG具备宽带透射光谱且没有后向散射,这使其优点凸显:制作工艺简单、插入损耗小、无后向反射、体积小。与传统的光纤布拉格光栅(FBG)相比,LPFG具有更好的温度、应力、弯曲、扭曲和横向载荷折射率灵敏度。短短十几年的发展使LPFG展现出了广阔的应用前景,特别是在光纤通信和光纤传感领域。基于LPFG的传感器具有可靠性好、抗干扰能力强、结构简单、尺寸小等优点,它们能够抵抗电磁干扰、抗腐蚀,能在恶劣的化学环境中工作。此外,依赖于LPFG的传感器克服了FBG中传感信号弱和传感光束禁闭在纤芯内部的问题,简化了信号解调技术。因此,LPFG在光纤传感领域,具有广阔的应用潜力。 本文以LPFG为载体,利用层层静电自组装技术,在LPFG表面组装聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDD)/聚(苯乙烯磺酸钠)(PSS)纳米薄膜,从而制备了LPFG共振双峰和LPFG盐度传感器。主要研究内容如下: (1)介绍本论文的研究背景和意义,同时分析了光纤光栅传感技术,以及聚电解质层层自组装薄膜在国内外研究现状。 (2)介绍了常见的LPFG制作方法,然后阐述了LPFG模式耦合理论,结合其相位匹配条件对LPFG的温度、折射率以及应变等传感特性进行了理论分析。 (3)介绍了聚电解质层层静电自组装方法机理,聚电解质多层膜的结构,可重复性和沉积条件,以及沉积薄膜后处理,并利用含盐聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)和含盐聚(对苯乙烯磺酸钠)(PSS),在LPFG表面组装了PDDA\PSS聚电解纳米薄膜,制备了长周期光纤光栅(LPFG)的双谐振峰。实验结果表明,与其它单谐振峰相比,LPFG的双谐振峰具有更高的灵敏度。双谐振峰中左峰和右峰的最大灵敏度分别高达52.7887nm/层和56.0879nm/层,约为单谐振峰的128倍和136倍。这些发现对于开发LPFG双共振峰在生物检测、化学分析、药物筛选等生化分析中的应用具有重要意义。 (4)提出了一种基于聚电解质纳米膜涂层的高灵敏度长周期光纤光栅传感器用以检测低浓度氯化钠溶液。通过组装含盐聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)和含盐聚(对苯乙烯磺酸钠)(PSS),大大提高了LPFG对低浓度盐溶液的检测能力。实验结果表明,组装纳米薄膜后,LPFG在低浓度盐溶液中的响应波长范围明显拓宽。PDDA/PSS膜涂层LPFG对盐浓度的合适检测范围为0～3%。在此范围内,LPFG的平均折射率灵敏度和平均盐度灵敏度分别高达29545.9nm/RIU和52.2nm/%。与不含纳米薄膜的LPFG相比,PDDA/PSS膜涂层LPFG对0～3%盐溶液的分辨能力提高了568倍。分析表明,组装溶液中的PDDA和盐在上述效应中起了关键作用。该传感器在海水、食品加工、发酵过程等多个领域的盐浓度监测中具有广泛的应用前景。