第35卷，第11期 2015年11月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
基于模式转换及双峰谐振效应的薄包层
镀膜长周期光纤光栅特性研究
蓝锦龙：顾先
上海理工大学理学院光电功能薄膜实验室，上海200093
Vol. 35,No. 11 -pp3230-3235
November, 2015
摘要基于耦合模理论，首先研究了镀膜长周期光纤光栅（LPFG)高阶包层模的模式转换，划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性，包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。在此基础上，研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况，结果表明，相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区；无论在模式转换区还是非模式转换区，包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应，进而提出广薄包层镀膜 LPFG的优化设计方案，当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内，光栅周期靠近相位匹配转折点时，将得到灵致度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器：而减小包层半径，将进一步提高传感器的分辨本领。
关键词薄包层镀膜长周期光纤光栅；透射谱；模式转换；双峰谐振效应；灵敏度
中图分类号：TN253文献标识码：A
引言
D0I; 10, 3964/j. issn.1000-0593(2015)11-3230-06
高阶模损耗峰的方案高出一倍。Gu等9101则研究了镀膜 LPFG双峰谐振现象，指出此类传感器对敏感薄膜折射率具有很高的灵敏度。而Chen等对镀膜薄包层LPFG的传感
长周期光纤光栅（long-periodfibergrating，LPFG）制作容易、插人损耗低、后向反射小、结构紧凌，已经被广泛应用[1.2]。Rees等3]在LPFG包层上镀制一层LB薄膜，检测广谐振波长随薄膜厚度的变化曲线。发现谐振波长随者薄膜厚度的增加，在某些薄膜厚度区域将出现跳变现象。Villar 等"运用模式转换的观点很好地阐释了模式跳变现象，指出当薄膜厚度增至某一特定值时，低阶包层模式将进人薄膜层传输，且高阶模式逐阶取代低阶模式。由于薄膜层中传输的模式将更易受环境的影响，Pilla等5提出了一种检测溶液浓度的镀膜LPFG传感器，其在模式转换区具有更高的环境折射率灵敏度，
随着LPFG理论的深人研究，双峰谐振的现象引起了国
内外研究人员的极大关注。Shu等在实验中观紧到LPo 模的最大波长移动分别为一180和十300nm，并且提出利用两者之间的间距变化进行传感的方案，其灵敏度比利用单个
收稿日期：2014-08-18，修订日期：2014-12-16
特性进行了研究，结果表明，当包层半径减小时，模式转换区的位置及区域范围的大小几乎不改变，但高灵敏响应区域将扩大。敏感薄膜的折射率易受外界环境影响，所以敏感薄膜可以制成气敏、湿敏、热敏等功能薄膜，具有广泛的应用。对于镀制敏感薄膜的应用更加广产泛的LPFG，薄包层镀膜 LPFG的模式转换现象与双峰谐振效应结合的研究甚少，尚未见报道。鉴于模式转换及双峰谐振效应对薄包层镀膜 LPFG的传输特性和传感特性有很大的影响，研究具有双峰谐振效应的高阶模式在模式转换区及其附近的特性对于提高传感器的灵敏度具有极其重要的意义
本文从高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特
性出发，研究镀膜LPFG高阶包层模的模式转换，划分高阶模式的模式转换区及非模式转换区。在此基础上，研究不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况，观察不同包层半径下模式转换区内和非模式转换区内双峰间距
基金项目：国家自然科学基金项目（60777035），教育部科学技术研究重点项目（208040），上海市教育委员会科研创新重点项目（11ZZ131），
上海市重点学科建设项目(S30502），上海市研究生创新基金项目（JWCXSL1402），沪江基金项目(B14004)资取
作者简介：蓝锦龙，1990年生，上海理工大学理学院硕士研究生
*通讯联系人e-mail：zhengtiangu@163.com
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