內容簡介
光子晶體光縴,又稱為微結構光縴或中空光縴,提供瞭一種不同於常規光縴的控製和導引光的新方法,近年來引起瞭科學界廣泛的研究興趣。自上世紀90年代早期首次被提齣以來,光子晶體光縴在全世界激發瞭不可遏止的巨大研究熱情。它首先是在通信領域展開,繼而逐漸延伸到測量學、光譜學、微光學、天文、微機械、生物以及傳感等領域。
《光子晶體光縴的特性與應用》試圖通過光子晶體光縴的特性對其進行專業的導讀,重點是在通信方麵。作者相信,光子晶體光縴能夠給導波光學及其應用帶來革命,尤其是考慮到光子晶體光縴在信號處理和特殊功能方麵的應用,而不是應用於長距離傳輸。全書采用有限元方法這一有力工具,深刻地分析瞭光子晶體光縴的物理與幾何特性,並說明這些特性是如何導緻瞭這種新型光縴的特殊錶現,同時關注瞭光子晶體光縴製造技術的極限和可能性。
因此,《光子晶體光縴的特性與應用》將對有誌於探索通信領域中光子晶體光縴這一充滿活力並不斷發展專題的研究者以及尋求當前的和新興應用的研究者提供幫助。
內頁插圖
目錄
第1章 光子晶體光縴基礎
1.1 從傳統光縴到光子晶體光縴
1.2 導光機理
1.2.1 改進的全內反射
1.2.2 光子帶隙導引
1.3 特性與應用
1.3.1 實心光縴
1.3.2 空心光縴
1.4 損耗機理
1.4.1 本徵損耗
1.4.2 限製損耗
1.4.3 彎麯損耗
1.5 光縴製作過程
1.5.1 堆積拉製法
1.5.2 擠齣製作法
1.5.3 徽結構塑料光縴
1.5.4 全導嚮光縴
1.6 商用的光子晶體光縴
參考文獻
第2章 導光特性
2.1 方形晶格PCF
2.1.1 導光特性
2.1.2 截止特性
2.2 大模場麵積三角形PCF的截止條件
2.3 改進的蜂窩結構空心PCF
2.3.1 導光與泄漏
2.3.2 雙摺射
參考文獻
第3章 色散特牲
3.1 色散補償PCF
3.2 方形晶格PCF的色散
3.3 色散平坦的三角形PCF
3.3.1 改進的空氣孔環PCF
3.3.2 三角形縴芯的PCF
參考文獻
第4章 非綫性特牲
4.1 超連續譜産生
4.1.1 起連續譜産生的物理機理
4.1.2 高非綫性PCF
4.1.3 色散特性與泵浦波長
4.1.4 泵浦脈衝長度的影響
4.1.5 應用
4.2 光參量放大
4.2.1 用於OPA的三角形PCF
4.2.2 三角形PCF中的相位匹配條件
4.3 空心PCF的非綫性係數
參考文獻
第5章 垃曼特性
5.1 拉曼有效麵積與拉曼增益係數
5.2 三角形PCF的拉曼特性
5.2.1 矽基三角形PCF
5.2.2 亞碲酸鹽三角形PCF
5.2.3 增大空氣孔的三角形PCF
5.3 蜂窩形PCF的拉曼特性
5.4 PCF拉曼放大器
5.4.1 PCF拉曼放大器模型
5.4.2 三角形PCF拉曼放大器
5.5 背景損耗對PCF拉曼放大器的影響
5.6 多泵浦PCF拉曼放大器
參考文獻
第6章 摻耳光縴放大器
6.1 摻雜光縴放大器模型
6.2 基於蜂窩形和蜘蛛網結構PCF的EDFA
6.3 基於三角形PCF的EDFA
參考文獻
附錄A 有限元法
A.1 公式
A.2 PCF參數評估
A.2.1 色散
A.2.2 非綫性係數
A.2.3 限製損耗
參考文獻
精彩書摘
《光子晶體光縴的特性與應用》:
SC光源最重要的應用之一是在OCT領域,這是一項新技術,它基於弱相乾乾涉測量技術,用於對活的有機體和微米尺度透明與不透明的生物組織原始位置橫截麵形態進行成像。OCT需要平滑的頻譜,即頻譜的幅度起伏小於10dB,因為頻譜之間的帶隙會影響成像的質量和測量精度。同時,SC的頻譜可展寬至可見光範圍,直至400nm,該寬帶頻譜覆蓋瞭可用於OCT光譜分析生物生色團的所需的所有波長。1200~1500nm之間的頻譜範圍對於OCT尤其重要,因為它可以穿透生物組織的深處,在頻譜上分辨吸水組分的圖像。然而OCT的縱嚮分辨率與光源的帶寬成反比,而與光源中心波長的平方成正比,因此對於帶寬不夠寬的光源,OCT的分辨率在長波長處變弱。對於采用摻雜光縴或半導體自發輻射放大效應所製成的光源,或者是基於超輻射發光二極管作為光源的標準OCT係統,其分辨率通常為10~15μm。這些光源的帶寬和波長範圍都受限。與此相反,已有的研究結果錶明,在PCF中産生的SC具有極大的帶寬,因此能提供無與倫比的分辨率。
……
前言/序言
直至不久前。人們仍認為光縴是由另一種低摺射率材料所包圍著的實心玻璃絲。而如今,光子晶體光縴(PCF)的齣現改變瞭人們的觀點。光子晶體光縴作為另一種光縴技術,首次演示是在1995年,它在包圍高摺射率材料的背景材料中周期性地安排瞭低摺射率材料。光子晶體光縴的背景材料通常是不摻雜質的矽(si),其上分布著貫穿整個長度的空氣孔,它們提供瞭低摺射率區域。
兩種主要類型的光子晶體光縴是高摺射率導引光縴和光子帶隙光縴。
高摺射率導引光縴更像傳統光縴,光也是被限製在實心中,這是由於利用瞭改進的全內反射機理。實際上,在縴芯區域和光縴晶體包層區域存在正摺射率差,包層中空氣孔的齣現導緻瞭低摺射率。導引機理被定義為“改進”,是由於包層的摺射率不像標準的常規(傳統)光縴是一常數,會隨波長而變化。
正是這一特點,以及矽與空氣之間高的摺射率差提供瞭一係列令人感興趣的特點。此外,高的設計靈活性是光子晶體光縴最為顯著的特點之一。尤其是,通過改變其橫截麵上空氣孔的幾何特性,即孔的大小與位置,可獲得截然相反的特性。與傳統光縴相比,小矽縴芯、大空氣孔,即高的空氣填充率的光子晶體光縴有更好的非綫性,已經有許多應用,如超連續譜産生。相反,為獲得大的模場麵積,有利於高功率傳輸,光子晶體光縴可設計成小空氣孔、大孑L間距。有彆於傳統光縴,特定結構的光子晶體光縴可以是無截止單模,即隻有基模被導引傳輸,而與波長無關。此外,在光子晶體光縴縴芯中可以簡單的方式引入重要的不對稱性,從而獲得高階雙摺射光縴。而且,光子晶體光縴的色散性能可被調控,且靈活性強。也就是說,將零色散波長移到可見光範圍,以及獲得超平坦的色散麯綫或具有高負色散斜率是可能的。、
當光子晶體光縴的縴芯區域具有比外圍的光子晶體包層小的摺射率,光的導引傳輸機理不同於全內反射,而是基於存在的光子帶隙(PBG)。事實上,構成光子晶體光縴包層的空氣孔微結構是二維光子晶體,它是一種具有光子帶隙特徵的周期性電介質材料,特定波長範圍的光是不能傳輸的。光子帶隙效應在自然界中同樣被發現,蝴蝶翅膀上美麗的色彩就是其貢獻的一例。光子晶體光縴縴芯區域低的摺射率可以通過在光子晶體結構中引入缺陷産生,如一個額外的孔或一個擴大的孔。
光子晶體光縴:理論基礎、關鍵技術與前沿探索 光子晶體光縴(Photonic Crystal Fibers, PCFs),又稱微結構光縴,是一種結構上打破瞭傳統光縴均勻介質特徵的新型光波導。其核心在於將周期性的微納結構引入光縴介質中,從而賦予光縴前所未有的光場調控能力和獨特的傳播特性。本書旨在深入探討光子晶體光縴的理論基礎、製備技術、關鍵特性以及在各個領域的廣泛應用,並對該領域的前沿發展進行展望。 第一章:光子晶體光縴的理論基礎 本章將係統闡述光子晶體光縴的物理原理。首先,我們將追溯光子晶體概念的起源,介紹周期性介質在光傳播中的作用。在此基礎上,重點講解兩種主要的PCFs形成機製: 帶隙機製 (Photonic Band Gap, PBG): 詳述其與固體物理中電子能帶理論的類比,通過布拉格反射和偶極子相互作用等原理,解釋周期性微結構如何形成禁止光傳播的“光子帶隙”。在此帶隙中的光,即使在中心區域沒有芯結構,也無法嚮四周散射,從而被局限在光縴中傳播。我們將深入分析光子帶隙的形成條件、寬度、位置以及如何通過改變周期結構參數(如空氣孔直徑、間距、材料摺射率)進行調控。 有效摺射率機製 (Effective Refractive Index, ERI): 闡釋當PCFs的周期結構不足以形成明顯的光子帶隙時,通過改變光縴橫截麵上空氣孔和實芯材料的有效摺射率差,來實現光的全內反射。介紹如何通過改變空氣孔的填充比例和幾何形狀,精細調控光縴的有效摺射率,從而實現光束的引導。 在此基礎上,本章還將介紹: 光場局域化與模式特性: 深入分析PCFs中光場的橫嚮分布、模式數量和傳播常數等關鍵參數。與傳統光縴不同,PCFs可以設計齣僅支持單模傳輸的結構,即使在很大的芯徑下也能實現,這得益於其獨特的橫嚮限製機製。 色散特性: 詳細討論PCFs的色散來源,包括材料色散、波導色散和結構色散。特彆強調PCFs在工程設計上實現零色散波長可調、超低色散甚至負色散的潛力,這在超快光脈衝産生和傳輸中至關重要。 非綫性特性: 分析PCFs因其微納結構帶來的增強非綫性效應,如光剋爾效應、受激拉曼散射、受激布裏淵散射等。介紹如何通過減小有效模場麵積或選擇高非綫性材料來進一步增強這些效應,為超快非綫性光學現象的研究和應用奠定基礎。 第二章:光子晶體光縴的關鍵技術 本章將聚焦於光子晶體光縴的製備與錶徵技術,這是實現其獨特性能的關鍵。 製備工藝: 拉伸法 (Drawing): 詳細介紹基於預製棒(Preform)的拉伸工藝,這是最主流的PCFs製備方法。從預製棒的設計與製作(如堆疊法、擠壓法)開始,深入剖析不同幾何形狀(如六邊形、正方形排列的空氣孔)和材料(如石英、氟化物玻璃、聚閤物)的PCFs如何通過控製拉伸參數(溫度、拉伸力、拉速)來精確實現。 微納加工技術: 介紹其他輔助或新興的製備技術,如化學氣相沉積(CVD)、電子束/離子束刻蝕、3D打印等,這些技術為製備結構更復雜、材料更多樣的PCFs提供瞭可能。 結構調控與參數設計: 空氣孔參數優化: 強調空氣孔的直徑(d)、間距(Λ)以及填充比(d/Λ)等參數對光縴傳輸特性的決定性影響。介紹如何利用數值模擬工具(如有限元法FEM、有限差分法FDTD)來設計和優化這些參數,以實現特定的傳輸性能。 材料選擇: 討論不同材料在PCFs製備中的優勢與劣勢,例如石英玻璃的高透過率和穩定性,氟化物玻璃在紅外波段的優異性能,以及聚閤物PCFs在低成本和柔性應用中的潛力。 芯結構設計: 介紹如何通過改變中心空氣孔的存在與否、數量、大小以及填充材料,來設計具有不同芯結構(如實芯、空芯、多芯)的PCFs,從而實現單模、多模或特殊模式的傳輸。 錶徵與測試: 光學性能測試: 詳細介紹測量PCFs傳輸損耗、色散、偏振保持能力、非綫性係數等關鍵參數的實驗方法。包括使用光譜儀、乾涉儀、脈衝發生器等設備。 結構錶徵: 介紹掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)等手段用於觀察和分析PCFs的橫截麵形貌和微納結構精度。 模式特性分析: 介紹如何通過遠場圖像、近場成像等方法來分析PCFs的模式場分布和模式數量。 第三章:光子晶體光縴的關鍵特性 本章將深入剖析光子晶體光縴所展現齣的獨特物理特性,這些特性是其區彆於傳統光縴並引發廣泛應用的基礎。 寬帶傳輸與低損耗: 光子帶隙光縴的寬帶傳輸: 闡釋PBG光縴為何能在相當寬的光譜範圍內實現幾乎恒定的低損耗傳輸,尤其是在傳統光縴損耗較高的紫外或深紅外波段。 超低損耗特性: 分析PCFs實現超低損耗的潛力,特彆是在空芯PCFs中,光場完全在空氣中傳播,消除瞭材料吸收和散射損耗,為下一代光通信和高精度傳感提供瞭可能。 色散工程: 零色散波長(ZDW)的可調性: 詳細闡述如何通過調整空氣孔結構和材料來精確設計PCFs,使其零色散波長位於任意所需波段(例如,可見光、近紅外、中紅外)。 巨大的色散斜率: 介紹PCFs能夠實現巨大的正負色散斜率,這對於超短脈衝的壓縮和生成至關重要,例如在超連續譜(Supercontinuum, SC)的産生中。 雙重零色散波長: 探討通過特殊結構設計實現雙零色散波長的可能性,這為更精細的光譜工程提供瞭新的途徑。 非綫性特性增強: 微模場麵積效應: 解釋PCFs如何通過減小空氣孔尺寸和改變填充介質,實現極小的有效模場麵積,從而顯著增強光場強度,大幅度提高非綫性效應的發生幾率。 材料選擇與非綫性優化: 討論如何通過選擇高非綫性係數的材料(如硫係玻璃、摻雜材料)來進一步放大非綫性效應,為非綫性光學器件的設計提供基礎。 偏振特性: 偏振保持 (Polarization Maintaining, PM) PCFs: 介紹如何通過引入結構不對稱性(如不同大小的空氣孔、橢圓形的空氣孔)來打破圓對稱性,設計齣高效的偏振保持PCFs,其高雙摺射特性在偏振敏感的應用中具有重要價值。 偏振模式解耦: 探討PCFs在特定設計下實現偏振模式解耦的能力,為高密度光傳輸和量子信息處理提供支持。 空芯PCFs的特殊性能: 氣體與等離子體填充: 詳細闡述空芯PCFs的核心優勢在於其內部可以填充任何氣體、液體或等離子體,從而實現與填充物質的強相互作用,為化學傳感、氣體光譜學、光學參量放大等應用開闢新途徑。 宏觀空芯光縴: 討論宏觀空芯光縴(Macro-structured hollow-core fiber)在超高功率傳輸、安全通信和電磁屏蔽等方麵的應用潛力。 第四章:光子晶體光縴的應用 本章將詳細介紹光子晶體光縴在各個領域的廣泛應用,以及其如何推動相關技術的發展。 光通信領域: 超低損耗傳輸: 探討PCFs作為下一代光通信傳 高速數據傳輸: 利用PCFs的色散工程能力,實現超寬帶、低色散的光信號傳輸,從而提高數據傳輸速率和容量。 光采樣與泵浦: PCFs增強的非綫性效應使其成為實現高效光采樣、泵浦光源和超連續譜光源的理想載體,為光信號處理和測量提供關鍵技術。 傳感領域: 高靈敏度化學與生物傳感: 利用空芯PCFs填充待測物質,實現對痕量氣體、液體甚至生物分子的超高靈敏度檢測。介紹基於摺射率、吸收光譜、拉曼散射等原理的傳感應用。 溫度、壓力、應力傳感: 通過PCFs結構對環境變化的敏感性,實現對溫度、壓力、應力等物理量的精確測量。 磁場與電場傳感: 結閤磁緻伸縮材料或電緻伸縮材料,利用PCFs的光學反饋,實現對磁場和電場的靈敏探測。 激光與非綫性光學領域: 超連續譜(Supercontinuum, SC)光源: PCFs是産生SC光源的最關鍵器件之一。詳細介紹如何通過閤理設計PCFs的色散和非綫性特性,在可見光到近紅外甚至中紅外波段産生具有極寬光譜範圍、高功率密度的SC光源,廣泛應用於光譜分析、成像、時間測量等。 新型激光器: 利用PCFs的光學增益和其獨特的腔體效應,開發新型的摻雜光縴激光器、半導體激光器與PCFs的集成器件。 光學參量振蕩與放大(OPO/OPA): PCFs的強非綫性效應和色散可調性使其成為實現高效光學參量過程的理想平颱,能夠産生特定波長的激光。 高次諧波産生: 在PCFs中實現超強激光與介質相互作用,産生高次諧波,為光譜學研究和先進光源開發提供工具。 生物醫學領域: 內窺鏡成像: PCFs微小的尺寸和靈活的彎麯能力,使其在微創手術和內窺鏡成像中具有應用潛力。 光動力療法(PDT): 利用PCFs産生特定波長的光源,用於激活光敏劑,實現對癌細胞的精確治療。 生物分子檢測與成像: 結閤生物熒光標記,利用PCFs進行高靈敏度的生物分子檢測和活體成像。 其他新興應用: 量子信息: PCFs的偏振控製能力和對單光子的操縱潛力,使其在量子糾纏分發、量子計算等方麵具有研究價值。 高壓氣體處理: 空芯PCFs能夠承受極高的內部氣體壓力,並與光場産生強烈的相互作用,用於氣體光譜學、等離子體産生和氣體放電研究。 太赫茲(THz)波傳輸: 設計特定結構的PCFs,實現太赫茲波的低損耗傳輸和模式控製,為太赫茲成像和光譜學提供新的解決方案。 第五章:光子晶體光縴的前沿探索與未來展望 本章將對光子晶體光縴領域的最新研究進展進行梳理,並展望其未來的發展方嚮。 先進材料與製備技術: 新型光縴材料: 探索如金屬有機框架(MOFs)、二維材料(如石墨烯、MXenes)在PCFs中的集成,以實現更獨特的光學和電學功能。 3D打印與增材製造: 利用先進的3D打印技術,製造復雜結構和多材料集成的PCFs,實現定製化和集成化的光器件。 柔性與可穿戴PCFs: 開發基於聚閤物或其他柔性材料的PCFs,以適應可穿戴設備、生物植入等領域的需求。 功能器件的集成: PCFs與半導體器件的集成: 將PCFs與LED、激光器、探測器等半導體器件進行高效耦閤,構建片上光子集成器件。 多功能PCFs: 設計能夠同時實現多種功能的PCFs,例如集傳感、通信、濾波於一體的光縴。 智能與自適應PCFs: 光敏或熱敏PCFs: 引入對光或熱敏感的材料,使PCFs的傳輸特性能夠根據外部環境變化而動態調整。 電光或聲光效應: 將電光或聲光材料集成到PCFs結構中,實現光信號的主動調製和控製。 理論與模擬的進步: 更精確的仿真工具: 開發更高效、更準確的數值模擬方法,用於設計和優化復雜PCFs結構。 機器學習在PCFs設計中的應用: 利用人工智能技術加速PCFs的設計和性能預測。 跨學科交叉應用: 與生物工程、化學、物理學等學科的深度融閤: 探索PCFs在仿生材料、催化、粒子操控等新領域的應用。 太空通信與極端環境應用: PCFs的穩定性和抗乾擾能力使其在太空探索和惡劣環境下具有廣闊的應用前景。 總而言之,光子晶體光縴作為一門快速發展的交叉學科,其獨特的物理機製、精湛的製備工藝、豐富的特性以及廣泛的應用前景,預示著其將在未來的科學技術發展中扮演越來越重要的角色。本書旨在為相關領域的科研人員、工程師和學生提供一個全麵、深入的學習平颱,激發更多創新性的研究和應用。