液晶光子晶体光纤的传感机理研究

论文摘要

光子晶体光纤又叫微结构光纤,是20世纪末发展起来的一种新型光纤,它的导光特性可以通过改变包层中的微型空气孔的的大小、间距、排列方式、向空气孔中填充气体和液体等方法来实现。随着光子晶体光纤研究的进一步发展,液晶作为一种填充物,以其良好的光学特性吸引着研究者。目前,液晶填充的全内反射型光子晶体光纤可以制作热光光纤开关、电控光开关及全光调制器件等等,而把液晶填充到光子带隙光纤中可以调节光纤的带隙或制作广义上的全固光子带隙光纤,这也是光子带隙光纤的发展方向之一。本文主要对全内反射型的光子晶体光纤填充液晶后的特性进行数值模拟,得出了光纤模场随着外界温度、电场发生变化的规律。主要内容如下：(1)简单介绍了光子晶体光纤的基本概念和种类,详细回顾了从2000年以来国内外研究液晶填充光子晶体光纤的进展,对光子晶体光纤传感器的应用前景作了展望。(2)简要介绍了液晶的光学性质,通过把液晶分子等效为单轴晶体,叙述了液晶分子折射率的各向异性。介绍了有限元法的由来和实施过程。(3)根据液晶折射率随温度变化的函数关系,得到了液晶填充全内反射型光子晶体光纤的基膜折射率、有效模场面积等参量随着温度、占空比的变化关系,发现高占空比的结构在传感中有更多优点,并比较了不同温度下的波导色散。(4)根据液晶折射率随外加电场变化的函数关系,得出了液晶填充光子晶体光纤的基膜折射率、有效模场面积等参量随着电场强度、占空比的变化关系,找到了不同的占空比下的截止电压。在电压一定时,找到了基膜的截止波长。为利用温度、电压控制光场提供了理论依据,对今后光子晶体光纤用作温度、电场传感有一定借鉴意义。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光子晶体光纤传感器的国内外发展情况及应用前景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 液晶的光学性质简介
• 2.1 液晶的基本特性
• 2.2 液晶的光学性质
• 2.2.1 各向异性晶体折射率的张量表示
• 2.2.2 液晶折射率的折射率的张量表示
• 2.3 本章小结
• 第三章 有限元法原理及实施过程
• 3.1 有限元法的由来
• 3.2 几种常见的数值分析法
• 3.3 有限元法实施过程简述
• 3.3.1 把电磁场边值问题等价为变分问题
• 3.3.2 剖分和插值
• 3.3.3 变分问题的离散化
• 3.4 本章小结
• 第四章 液晶光子晶体光纤的温度传感特性
• 4.1 全内反射型光子晶体光纤概述
• 4.2 液晶折射率的温度特性
• 4.3 全内反射型光子晶体光纤的温度传感特性
• 4.3.1 基膜的模场分布
• 4.3.2 有效折射率的温度特性
• 4.3.3 有效模场面积的温度特性
• 4.3.4 数值孔径的温度特性
• 4.3.5 占空比对模场温度特性的影响
• 4.3.6 不同温度下的波导色散
• 4.4 本章小结
• 第五章 液晶光子晶体光纤的电场传感特性
• 5.1 液晶折射率的电场特性
• 5.2 液晶填充光子晶体光纤的电场特性
• 5.2.1 有效折射率的电场特性
• 5.2.2 有效模场面积和数值孔径的电场特性
• 5.2.3 电压对截止波长的影响
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集